RU2319294C1

RU2319294C1 - Cascade differential amplifier

Info

Publication number: RU2319294C1
Application number: RU2006128294/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко; Сергей Владимирович Крюков; Андрей Васильевич Хорунжий
Original assignee: ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2008-03-10
Also published as: RU2006128294A

Abstract

FIELD: radio engineering and communications, possible use as device for amplifying analog signals, in structure of analog microchips of various functional purpose (for example, in operational amplifiers).

SUBSTANCE: cascade differential amplifier contains input parallel-balance cascade (1) on input transistors (2 and 3), bases of which are inputs (4 and 5) of cascade differential amplifier, and emitters are connected to supporting current supply (6), emitters of transistors (7,8 and 9) with combined bases are connected through current-stabilizing dipoles (10,11 and 12) to bus of first power supply (13), where emitter of transistor (7) is connected to collector of transistor (2), and emitter of transistor (8) is connected to collector of transistor (3), and collectors of transistors (7 and 8) are the first (14) and the second (15) outputs of cascade differential amplifier. Introduced also into circuit for increasing weakening coefficient of input cophased signal are additional transistors (16) and 17, bases of which are connected to corresponding bases of transistors (2) and (3), collectors are connected to emitter of transistor (9), emitters are connected to supporting current supply (6), where supporting current supply (6) is made on transistor (18), emitter of which is connected to bus of second current supply (19), base is connected to collector of transistor (9), and combined bases of transistors (7,8 and 9) are connected to additional shifting voltage supply (20).

EFFECT: increased efficiency.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ)).The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps)).

Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 200 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.Known circuits of the so-called “bent” cascode differential amplifiers (DU) on npn and pnp transistors [1-35], which became the basis of more than 20 serial operational amplifiers manufactured as foreign (HA2520, NA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90 and etc.), and by Russian (154UD3, etc.) microelectronic companies. Due to the high popularity of such a remote control architecture, more than 200 patents have been issued for their modification. The present invention relates to this subclass of devices.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный дифференциальный усилитель (КДУ), описанный в патенте США №6456162 (фиг.3), содержащий входной параллельно-балансный каскад 1 на первом 2 и втором 3 входных транзисторах, базы которых являются входами 4 и 5 каскодного дифференциального усилителя, а эмиттеры связаны с источником опорного тока 6, первый 7, второй 8 и третий 9 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых соединены через первый 10, второй 11 и третий 12 токостабилизирующие двухполюсники с шиной первого 13 источника питания, причем эмиттер первого выходного транзистора 7 соединен с коллектором первого входного транзистора 2, эмиттер второго выходного транзистора 8 соединен с коллектором второго входного транзистора 3, а коллекторы первого 7 и второго 8 выходных транзисторов являются первым 14 и вторым 15 выходами каскодного дифференциального усилителя.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is the cascode differential amplifier (CDA) described in US patent No. 6456162 (figure 3), containing an input parallel-balanced cascade 1 on the first 2 and second 3 input transistors, the bases of which are inputs 4 and 5 cascode differential amplifiers, and the emitters are connected to the reference current source 6, the first 7, the second 8 and the third 9 output transistors with integrated bases, the emitters of which are connected through the first 10, second 11 and third 12 current-stabilizing two-terminal devices with the bus of the first 13 of the power source, and the emitter of the first output transistor 7 is connected to the collector of the first input transistor 2, the emitter of the second output transistor 8 is connected to the collector of the second input transistor 3, and the collectors of the first 7 and second 8 output transistors are the first 14 and second 15 outputs of the cascode differential amplifier .

Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет сравнительно небольшой коэффициент ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф), что отрицательно сказывается на погрешностях неинвертирующих решающих усилителей и компараторов на его основе.A significant drawback of the known KDU (Fig. 1) is that it has a relatively small attenuation coefficient of the input common-mode signal (K _os.sf ), which negatively affects the errors of non-inverting decision amplifiers and comparators based on it.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала.The main objective of the invention is to increase the attenuation coefficient of the input common mode signal.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 на первом 2 и втором 3 входных транзисторах, базы которых являются входами 4 и 5 каскодного дифференциального усилителя, а эмиттеры связаны с источником опорного тока 6, первый 7, второй 8 и третий 9 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых соединены через первый 10, второй 11 и третий 12 токостабилизирующие двухполюсники с шиной первого 13 источника питания, причем эмиттер первого выходного транзистора 7 соединен с коллектором первого входного транзистора 2, эмиттер второго выходного транзистора 8 соединен с коллектором второго входного транзистора 3, а коллекторы первого 7 и второго 8 выходных транзисторов являются первым 14 и вторым 15 выходами каскодного дифференциального усилителя, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с соответствующими базами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, коллекторы подключены к эмиттеру третьего выходного транзистора 9, эмиттеры связаны с источником опорного тока 6, причем источник опорного тока 6 выполнен на вспомогательном транзисторе 18, эмиттер которого соединен с шиной второго источника питания 19, база подключена к коллектору третьего 9 выходного транзистора, а объединенные базы первого 7, второго 8 и третьего 9 выходных транзисторов соединены с дополнительным источником напряжения смещения 20.This goal is achieved by the fact that in the cascode differential amplifier (Fig. 1), containing an input parallel-balanced stage 1 at the first 2 and second 3 input transistors, the bases of which are inputs 4 and 5 of the cascode differential amplifier, and the emitters are connected to the reference current source 6, first 7, second 8 and third 9 output transistors with integrated bases, the emitters of which are connected through the first 10, second 11 and third 12 current-stabilizing two-terminal devices with the bus of the first 13 power supply, and the emitter of the first output the transistor 7 is connected to the collector of the first input transistor 2, the emitter of the second output transistor 8 is connected to the collector of the second input transistor 3, and the collectors of the first 7 and second 8 output transistors are the first 14 and second 15 outputs of the cascode differential amplifier, new elements and communications are provided in the circuit introduced the first 16 and second 17 additional transistors, the bases of which are connected to the corresponding bases of the first 2 and second 3 input transistors, the collectors are connected to the emitter of the third output about transistor 9, the emitters are connected to the reference current source 6, and the reference current source 6 is made on an auxiliary transistor 18, the emitter of which is connected to the bus of the second power source 19, the base is connected to the collector of the third 9 output transistor, and the combined bases of the first 7, second 8 and a third 9 output transistors are connected to an additional bias voltage source 20.

Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.3 показана схема каскодного дифференциального усилителя, соответствующая п.2 формулы изобретения. На фиг.4 и 5 показаны схемы заявляемого (фиг.5) и известного (фиг.4) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.6 - частотные зависимости коэффициента ослабления синфазных сигналов сравниваемых КДУ.The amplifier circuit of the prototype is presented in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims. Figure 3 shows the circuit cascode differential amplifier corresponding to claim 2 of the claims. Figures 4 and 5 show diagrams of the inventive (Fig. 5) and known (Fig. 4) devices in a computer simulation environment PSpice, and Fig. 6 shows frequency dependences of the attenuation coefficient of common-mode signals of the compared CDAs.

Дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит входной параллельно-балансный каскад 1 на первом 2 и втором 3 входных транзисторах, базы которых являются входами 4 и 5 каскодного дифференциального усилителя, а эмиттеры связаны с источником опорного тока 6, первый 7, второй 8 и третий 9 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых соединены через первый 10, второй 11 и третий 12 токостабилизирующие двухполюсники с шиной первого 13 источника питания, причем эмиттер первого выходного транзистора 7 соединен с коллектором первого входного транзистора 2, эмиттер второго выходного транзистора 8 соединен с коллектором второго входного транзистора 3, а коллекторы первого 7 и второго 8 выходных транзисторов являются первым 14 и вторым 15 выходами каскодного дифференциального усилителя. В схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с соответствующими базами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, коллекторы подключены к эмиттеру третьего выходного транзистора 9, эмиттеры связаны с источником опорного тока 6, причем источник опорного тока 6 выполнен на вспомогательном транзисторе 18, эмиттер которого соединен с шиной второго источника питания 19, база подключена к коллектору третьего 9 выходного транзистора, а объединенные базы первого 7, второго 8 и третьего 9 выходных транзисторов соединены с дополнительным источником напряжения смещения 20.The differential amplifier (figure 2) contains an input parallel-balanced stage 1 on the first 2 and second 3 input transistors, the bases of which are inputs 4 and 5 of the cascode differential amplifier, and the emitters are connected to the reference current source 6, the first 7, the second 8 and the third 9 output transistors with integrated bases, the emitters of which are connected through the first 10, second 11 and third 12 current-stabilizing two-terminal circuits with the bus of the first 13 power supply, and the emitter of the first output transistor 7 is connected to the collector of the first input transistor 2, the emitter of the second output transistor 8 is connected to the collector of the second input transistor 3, and the collectors of the first 7 and second 8 output transistors are the first 14 and second 15 outputs of the cascode differential amplifier. The first 16 and second 17 additional transistors are introduced into the circuit, the bases of which are connected to the corresponding bases of the first 2 and second 3 input transistors, the collectors are connected to the emitter of the third output transistor 9, the emitters are connected to the reference current source 6, and the reference current source 6 is made on auxiliary transistor 18, the emitter of which is connected to the bus of the second power source 19, the base is connected to the collector of the third 9 output transistor, and the combined bases of the first 7, second 8 and third 9 output transistors are connected to additional source of bias voltage 20.

В частном случае первый выход 14 каскодного дифференциального усилителя (фиг.3) соединен со входом 21 токового зеркала 22, коллекторный выход которого 23 связан со вторым 15 выходом каскодного дифференциального усилителя и является основным выходом 24 каскодного дифференциального усилителя.In a particular case, the first output 14 of the cascode differential amplifier (Fig. 3) is connected to the input 21 of the current mirror 22, the collector output of which 23 is connected to the second 15 output of the cascode differential amplifier and is the main output 24 of the cascode differential amplifier.

Рассмотрим работу заявляемого каскодного дифференциального усилителя на примере анализа схемы фиг.2.Consider the operation of the inventive cascode differential amplifier as an example of the analysis of the circuit of figure 2.

Существенный недостаток известных КДУ - недостаточно высокое ослабление синфазных сигналов, которое существенно зависит от величины выходной проводимости (у₆) источников опорного тока 6 (ИОТ). Для биполярных транзисторов выходная проводимость у6 зависит от напряжения Эрли (U_э) и статического тока коллектора (I_к18) транзистора 18 следующим образомA significant drawback of the well-known KDUs is the insufficiently high common-mode signal attenuation, which substantially depends on the value of the output conductivity (for ₆ ) of the reference current sources 6 (IOT). For bipolar transistors, the output conductivity y6 depends on the Earley voltage (U _e ) and the static collector current (I _k18 ) of the transistor 18 as follows

Для современных интегральных транзисторов U_э=20÷40 В, то есть при миллиамперных токах (I_к18=1 мА) численные значения выходного сопротивления ИОТ не велики (R_вых.6=у₆≈20÷40 кОм), что отрицательно сказывается на ослаблении синфазных сигналов.For modern integrated transistors U _e = 20 ÷ 40 V, that is, at milliamp currents (I _k18 = 1 mA), the numerical values of the output resistance of the IOT are not large (R _out.6 = at ₆ ≈20 ÷ 40 kOhm), which negatively affects attenuation of common mode signals.

В заявляемом устройстве при наличии синфазной составляющей у двух сигналов u_c4=u_c5=u_с изменяется ток через проводимость у₆ In the inventive device in the presence of an in-phase component of two signals u _c4 = u _c5 = u _{s the} current through the conductivity of ₆

Для эмиттерной цепи входного каскада 1 (при идентичных транзисторах 2, 3, 16 и 17) можно составить следующую систему уравненийFor the emitter circuit of the input stage 1 (with identical transistors 2, 3, 16 and 17), we can compose the following system of equations

где β₁₈ - коэффициент усиления по току базы транзистора 18, входящего в структуру источника опорного тока 6.where β ₁₈ is the current gain of the base of the transistor 18 included in the structure of the reference current source 6.

Подставляя в уравнение (2) сумму токов (3) можно получить, что приращение суммарного тока эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1Substituting the sum of currents (3) into equation (2), we can obtain that the increment of the total current of the emitter circuit of the input differential stage 1

Таким образом в схеме фиг.2 создаются условия, при которых выходные токи КДУ i_к8(i_к7), обусловленные синфазным сигналом, существенно ослабляютсяThus, in the circuit of FIG. 2, conditions are created under which the output currents of the KDU i _k8 (i _k7 ), due to the common-mode signal, are significantly weakened

Поэтому выходное напряжение КДУ, обусловленное входным синфазным сигналом, выделяемое, например, на нагрузке R_н1, будет малоTherefore, the output voltage of the KDU, due to the input common-mode signal, allocated, for example, at the load R _n1 , will be small

Следовательно, коэффициент передачи синфазного сигнала со входа КДУ на выход 14 в заявляемой схеме существенно уменьшаетсяTherefore, the transfer coefficient of the common-mode signal from the input of the CDA to the output 14 in the claimed circuit is significantly

Так как при идентичных статических токах эмиттера транзисторов 2 и 3 в заявляемом и известном КДУ коэффициент усиления дифференциального сигнала одинаков, то из этого следует, что К_ос.сф в схеме фиг.2 в N_c раз лучше, чем в схеме фиг.4, где N_с≈β₁₈>>1. Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования, которые показывают, что предлагаемое техническое решение улучшает К_ос.сф более чем на порядок (28 дБ).Since with identical static emitter currents of transistors 2 and 3 in the claimed and known CDD, the differential signal gain is the same, it follows that K _OS.sf in the circuit of FIG. 2 is N _c times better than in the circuit of FIG. 4, where N _with ≈β ₁₈ >> 1. These findings are confirmed by the results of computer simulations, which show that the proposed technical solution improves K _OS.sf more than an order of magnitude (28 dB).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.1. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M.: Radio and Communications, 1989. - p. 74, fig. 4.15, p. 98, fig. 6.7.

2. Патент США №6218900, фиг.1.2. US Patent No. 6218900, figure 1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.3. Patent application US 2002/0196079.

4. Патент США №6788143.4. US patent No. 6788143.

5. Патент США №3644838, фиг.2.5. US patent No. 3444838, figure 2.

6. Патент США Re 30587.6. US patent Re 30587.

7. Патент ЕР 1227580.7. Patent EP 1227580.

8. Патент США №6714076.8. US patent No. 6714076.

9. Патент США №5786729.9. US patent No. 5786729.

10. Патент США №5327100.10. US Patent No. 5327100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.11. Patent application US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4274061.12. US patent No. 4274061.

13. Патент США №5422600, фиг.2.13. US patent No. 5422600, figure 2.

14. Патент США №6788143, фиг.2.14. US patent No. 6788143, figure 2.

15. Патент США №4959622, фиг.1.15. US patent No. 4959622, figure 1.

16. Патент США №4406990, фиг.4.16. US patent No. 4406990, figure 4.

17. Патент США №5418491.17. US patent No. 5418491.

18. Патент США №6018268.18. US patent No. 6018268.

19. Патент США №5952882.19. US Patent No. 5952882.

20. Патент США №4723111.20. US patent No. 4723111.

21. Патент США №4293824.21. US patent No. 4293824.

22. Патент США №6580325.22. US patent No. 6580325.

23. Патент США №6965266.23. US patent No. 6965266.

24. Патент США №6867643.24. US patent No. 6867643.

25. Патент США №6236270.25. US Patent No. 6236270.

26. Патент США №5323121.26. US patent No. 5323121.

27. Патент США №6229394.27. US patent No. 6229394.

28. Патент США №5734296.28. US patent No. 5734296.

29. Патент США №5477190.29. US patent No. 5477190.

30. Патент США №5091701.30. US patent No. 5091701.

31. Патент США №6717474.31. US patent No. 6717474.

32. Патент США №6084475.32. US patent No. 6084475.

33. Патент США №3733559.33. US patent No. 3733559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 A1.34. Patent application US 2005/0001682 A1.

35. Патент США №6300831.35. US patent No. 6300831.

Claims

1. A cascode differential amplifier containing an input parallel-balanced cascade (1) on the first (2) and second (3) input transistors, the bases of which are the inputs (4) and (5) of the cascode differential amplifier, and the emitters are connected to the reference source current (6), first (7), second (8) and third (9) output transistors with integrated bases, the emitters of which are connected through the first (10), second (11) and third (12) current-stabilizing two-terminal devices with the bus of the first (13 ) a power source, the emitter of the first output transistor (7) connected to the call by the first input transistor (2), the emitter of the second output transistor (8) is connected to the collector of the second input transistor (3), and the collectors of the first (7) and second (8) output transistors are the first (14) and second (15) outputs of the cascode differential amplifier, characterized in that the first (16) and second (17) additional transistors are introduced into the circuit, the bases of which are connected to the corresponding bases of the first (2) and second (3) input transistors, the collectors are connected to the emitter of the third output transistor (9) emitters connected with a reference current source (6), and the reference current source (6) is made on an auxiliary transistor (18), the emitter of which is connected to the bus of the second power source (19), the base is connected to the collector of the third (9) output transistor, and the combined bases of the first (7), second (8) and third (9) output transistors are connected to an additional bias voltage source (20).

2. The device according to claim 1, characterized in that the first output (14) of the cascode differential amplifier is connected to the input (21) of the current mirror (22), the collector output of which (23) is connected to the second (15) output of the cascode differential amplifier and is the main output (24) of the cascode differential amplifier.