RU158424U1 - Кмоп-дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления - Google Patents

Abstract

КМОП-дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, включающий токостабилизирующий двухполюсник, включенный между общей шиной и объединенными истоками первого и второго входных Ν-ΜΟΠ транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя, соответственно, причем сток первого (входного) Ν-ΜΟΠ транзистора соединен с истоком (выходного) Ν-ΜΟΠ транзистора, затвор которого соединен с затвором и стоком четвертого (нагрузочного) Р-МОП транзистора, сток подключен к стоку третьего (выходного) Р-МОП транзистора и выходу дифференциального усилителя; сток второго (входного) Ν-ΜΟΠ входного транзистора соединен с объединенными затвором и стоком четвертого Р-МОП транзистора и затвором третьего Р-МОП транзистора; истоки третьего и четвертого Р-МОП транзисторов подключены к шине питания, причем, изолирующие "карманы" всех МОП транзисторов подключены к истокам этих транзисторов, отличающийся тем, что в схему введены дополнительные элементы:- шестой (дополнительный) Р-МОП транзистор, соединенный затвором со стоком второго (входного) Ν-ΜΟΠ транзистора, истоком - с шиной положительного электропитания, а стоком - с объединенными истоками входных Ν-ΜΟΠ транзисторов;- седьмой (дополнительный) Ν-ΜΟΠ транзистор в диодном включении между стоками второго Ν-ΜΟΠ транзистора и четвертого Р-МОП транзистора.

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и электроники. В частности, к интегральным микросхемам на основе технологии КМОП, и может быть использована в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в операционных усилителях (ОУ), компараторах).

Задачей настоящей полезной модели является увеличение коэффициента усиления по напряжению КМОП-дифференциального усилителя путем включения дополнительного усилительного транзистора в схему усилителя. Технический результат состоит в увеличении коэффициента усиления дифференциального усилительного каскада примерно в 5 раз без ухудшения его частотных характеристик. Согласно полезной модели, этот технический результат достигается за счет того, что дополнительный усилительный транзистор модулирует ток дифференциального каскада. Симметричное включение транзисторов в схеме обеспечивает пониженное напряжение смещения нуля дифференциального сигнала.

Известны изобретения RU 2469467 (2011 г.), RU 2455758 (2011 г.), RU 2463703 (2011 г.), которые содержат ряд технических решений для увеличения коэффициента усиления дифференциальных усилителей. При этом повышение коэффициента усиления КМОП усилительных каскадов обычно достигается увеличением длины затворов МОП транзисторов или использованием последовательного (каскодного) включения усилительных транзисторов. Однако при увеличении длины затворов снижается быстродействие усилителя, а каскодное включение транзисторов увеличивает минимальное напряжение питания и требует введения в схему дополнительного блока опорного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемой полезной модели можно считать техническое решение (фиг. 1), описанное в полезной модели RU 132651.

Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение коэффициента усиления по напряжению однокаскадного КМОП-дифференциального усилителя. Технический результат, позволяющий достичь поставленной задачи, состоит в увеличении коэффициента усиления дифференциального усилительного каскада в 5÷6 раз без ухудшения его частотных характеристик путем включения дополнительного усилительного P-МОП транзистора, модулирующего ток дифференциального каскада, и дополнительного компенсирующего N-МОП транзистора, снижающего напряжение смещения нуля входного дифференциального сигнала за счет выравнивания напряжений на стоках входных МОП транзисторов.

Согласно предлагаемой полезной модели, этот технический результат достигается за счет того, что в КМОП-дифференциальный каскад (фиг. 1), содержащий токостабилизирующий двухполюсник 1, включенный между общей шиной 2 и объединенными истоками первого 3 и второго 4 входных N-МОП транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим 5 и неинвертирующим 6 входами дифференциального усилителя, соответственно, причем, сток первого (входного) N-МОП транзистора 3 соединен с истоком (выходного) N-МОП транзистора 11, затвор которого соединен с затвором и стоком четвертого (нагрузочного) P-МОП транзистора, сток подключен к стоку третьего (выходного) P-МОП транзистора 7 и выходу дифференциального усилителя 8; сток второго (входного) N-МОП входного транзистора 4 соединен с объединенными затвором и стоком четвертого P-МОП транзистора 9 и затвором третьего P-МОП транзистора 7; истоки третьего 7 и четвертого 9 P-МОП транзисторов подключены к шине питания 10, причем, изолирующие «карманы» всех МОП транзисторов подключены к истокам этих транзисторов, введены дополнительные элементы (фиг. 2):

- шестой (дополнительный) P-МОП транзистор 12, соединенный затвором со стоком второго входного N-МОП транзистора, истоком - с шиной положительного электропитания, а стоком - с объединенными истоками входных N-МОП транзисторов 3, 4;

- седьмой (дополнительный) N-МОП транзистор 13 (фиг. 3) в диодном включении между стоками второго входного N-МОП транзистора 4 и четвертого P-МОП транзистора 9.

На фиг. 1 представлена схема дифференциального усилителя, выбранного в качестве прототипа предлагаемой полезной модели.

На фиг. 2 представлена схема КМОП-дифференциального усилителя с дополнительным P-МОП усилительным транзистором.

На фиг. 3 представлена схема КМОП-дифференциального усилителя с дополнительными: P-МОП усилительным и N-МОП симметрирующим транзисторами.

На фиг. 4 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению для прототипа и предлагаемой полезной модели.

Реализация полезной модели заключается в следующем. КМОП-дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг. 2), включающий, токостабилизирующий двухполюсник 1, включенный между общей шиной 2 и объединенными истоками первого 3 и второго 4 входных N-МОП транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим 5 и неинвертирующим 6 входами дифференциального усилителя, соответственно, причем, сток первого (входного) N-МОП транзистора 3 соединен с истоком (выходного) N-МОП транзистора 11, затвор которого соединен с затвором и стоком четвертого (нагрузочного) P-МОП транзистора, сток подключен к стоку третьего (выходного) P-МОП транзистора 7 и выходу дифференциального усилителя 8; сток второго (входного) N-МОП входного транзистора 4 соединен с объединенными затвором и стоком четвертого Р-МОП транзистора 9 и затвором третьего P-МОП транзистора 7; истоки третьего 7 и четвертого 9 P-МОП транзисторов подключены к шине питания 10, причем, изолирующие «карманы» всех МОП транзисторов подключены к истокам этих транзисторов, содержит дополнительные элементы:

- шестой (дополнительный) P-МОП транзистор 12, соединенный затвором со стоком второго входного N-МОП транзистора 4, истоком - с шиной положительного электропитания 10, а стоком - с объединенными истоками входных N-МОП транзисторов 3, 4;

- седьмой (дополнительный) N-МОП транзистор 13 в диодном включении между стоками второго N-МОП транзистора 4 и четвертого P-МОП транзистора 9.

Технический результат достигается за счет того, что: седьмой (дополнительный) симметрирующий N-МОП транзистор 13 снижает напряжение смещения нуля за счет выравнивания напряжений на стоках входных N-МОП транзисторов 3, 4 дифференциального усилителя; ток стока шестого (дополнительного) P-МОП транзистора 12 синхронно модулирует весь ток дифференциального усилительного каскада. Общий коэффициент усиления дифференциального усилителя возрастает благодаря совместному действию снижения смещения нуля и синхронной модуляции тока всего каскада.

На фиг. 4 представлены частотные зависимости коэффициента усиления, полученные при моделировании, для предлагаемой полезной модели и технического решения, выбранного в качестве прототипа. По приведенным графикам можно судить о том, что коэффициент усиления по напряжению предлагаемой полезной модели увеличивается не менее чем в четыре раза в сравнении с коэффициентом усиления прототипа. Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение полезной модели демонстрирует преимущество по коэффициенту усиления по напряжению в сравнении с известным дифференциальным усилителем.

Реализуемость полезной модели подтверждается результатами моделирования с использованием лицензированных средств САПР фирмы Cadence Microsystems.

Используемая литература:

[1] Ракитин В.В. Интегральные схемы на КМОП-транзисторах. Учебное пособие - М.: МФТИ. - 2007 - 308 с.

[2] Патент на полезную модель RU №132651 «КМОП-дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления»

[3] Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. - М.: Горячая линия - Телеком. - 2005. - 454 с: ил.

Claims (1)

1. КМОП-дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, включающий токостабилизирующий двухполюсник, включенный между общей шиной и объединенными истоками первого и второго входных Ν-ΜΟΠ транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя, соответственно, причем сток первого (входного) Ν-ΜΟΠ транзистора соединен с истоком (выходного) Ν-ΜΟΠ транзистора, затвор которого соединен с затвором и стоком четвертого (нагрузочного) Р-МОП транзистора, сток подключен к стоку третьего (выходного) Р-МОП транзистора и выходу дифференциального усилителя; сток второго (входного) Ν-ΜΟΠ входного транзистора соединен с объединенными затвором и стоком четвертого Р-МОП транзистора и затвором третьего Р-МОП транзистора; истоки третьего и четвертого Р-МОП транзисторов подключены к шине питания, причем, изолирующие "карманы" всех МОП транзисторов подключены к истокам этих транзисторов, отличающийся тем, что в схему введены дополнительные элементы:

   - шестой (дополнительный) Р-МОП транзистор, соединенный затвором со стоком второго (входного) Ν-ΜΟΠ транзистора, истоком - с шиной положительного электропитания, а стоком - с объединенными истоками входных Ν-ΜΟΠ транзисторов;

   - седьмой (дополнительный) Ν-ΜΟΠ транзистор в диодном включении между стоками второго Ν-ΜΟΠ транзистора и четвертого Р-МОП транзистора.

   

Images