RU2439780C1 - Cascode differential amplifier - Google Patents
Cascode differential amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439780C1 RU2439780C1 RU2011101718/08A RU2011101718A RU2439780C1 RU 2439780 C1 RU2439780 C1 RU 2439780C1 RU 2011101718/08 A RU2011101718/08 A RU 2011101718/08A RU 2011101718 A RU2011101718 A RU 2011101718A RU 2439780 C1 RU2439780 C1 RU 2439780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- collector
- auxiliary
- transistors
- emitter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
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, SiGe-операционных усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).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 of various functional purposes (for example, SiGe-operational amplifiers, microwave amplifiers, comparators, continuous voltage stabilizers, etc.).
В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные операционные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи входных транзисторов и выходными эмиттерными повторителями [1-13]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для новых технологий.In modern microelectronics, classic cascode differential operational amplifiers (KDUs) with two resistors in the collector circuit of input transistors and output emitter followers are used [1-13]. This architecture is the basis of a wide class of analog and digital devices and is basic for both existing and new technologies.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту US 6.262.628, fig.14В (или US 5.568.092, fig.1).The closest in technical essence to the claimed device is the input differential cascade in the device according to the patent US 6.262.628, fig.14В (or US 5.568.092, fig.1).
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-13], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Eп), характерных для SiGe технологических процессов (Eп≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Kу) получается небольшим (Kуmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Eп не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения Kу применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения своего линейного режима работы «потери» статического напряжения UДН=0,8÷1,6 В между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения UДН равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:A significant drawback of the known DE, the architecture of which is also present in other amplification stages [1-13], is that under restrictions on the supply voltage (E p ) characteristic of SiGe technological processes (E p ≤2.0 ÷ 2.5 B), its voltage gain (K у ) is small (K уmax = 10 ÷ 20). This is primarily due to restrictions on the resistances of the collector load resistors, which, due to small E p, cannot be selected as high-resistance. Therefore, to increase K у, so-called dynamic loads (DNs) are used, for example, on bipolar transistors, which require a “loss” of static voltage U DN = 0.8 ÷ 1.6 V between the power source and the output of the DN to ensure their linear operating mode . Moreover, the numerical values of U ДН are equal to 0.8 V for the simplest dynamic loads, which, unfortunately, have a low output impedance:
где UЭрли - напряжение Эрли выходного p-n-p транзистора ДН;where U Earley - voltage Earley output pnp transistor DN;
Iэ=I0 - статический ток эмиттера p-n-p выходного транзистора ДН.I e = I 0 is the static current of the emitter pnp of the output transistor DN.
Для интегральных транзисторов UЭрли=20÷30 В. Следовательно, при I0=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения Kу. Более высокие выходные сопротивления RДН реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2Uэб≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме этого не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-p транзисторов. Для других, например, радиационно-стойких технологий (НПО «Интеграл» г.Минск) применение p-n-p транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.For integrated transistors U Earley = 20 ÷ 30 V. Therefore, when I 0 = 1 mA, the use of classical dynamic loads does not allow to obtain high values of K y . Higher output resistances R DNs are realized in Wilson current mirrors or cascode current mirror circuits. However, they only work if the static voltage between the terminals of such a dynamic load is more than 2U eb ≥1.6 V. With a low-voltage power supply this is not acceptable. In addition, not all technical processes (for example, SGB25VD, introduced in Russia) allow the use of pnp transistors. For others, for example, radiation-resistant technologies (NPO Integral, Minsk), the use of pnp transistors is not recommended in conditions of radiation exposure to a microelectronic product.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДУ не эффективны.Thus, at low supply voltages, and especially in those cases where it is necessary to obtain more or less significant amplitudes of the output voltage, the well-known circuitry solutions of the remote control are not effective.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании.The main objective of the invention is to increase the limit values of the gain in the voltage of the remote control at low voltage power.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 3 источником питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор соединен с базой первого 6 выходного транзистора и через первый 7 резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым 8 источником питания, второй 9 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор соединен с базой второго 10 выходного транзистора и через второй 11 резистор коллекторной нагрузки связан со вторым 8 источником питания, вспомогательный источник напряжения 12, соединенный с базами первого 5 и второго 9 вспомогательных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом 14 устройства, связанным с эмиттером второго 10 выходного транзистора и первым 3 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и первым 3 источником питания, причем коллекторы первого 6 и второго 10 выходных транзисторов подключены ко второму 8 источнику питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 16 и второй 17 дополнительные входные транзисторы, а также третий 18 и четвертый 19 вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, коллектор второго 17 дополнительного входного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания, коллектор первого 16 дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, базы первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттер первого 6 выходного транзистора связан с базой четвертого 19 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 19 вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго 9 вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего 18 и четвертого 19 вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым 3 источником питания через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник, база третьего 18 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а коллектор третьего 18 вспомогательного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания.The problem is solved in that in the cascode differential amplifier (Fig. 1), containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the first 3 power supply through the first 4 current-stabilizing two-terminal, the first 5 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the collector of the first 1 input transistor, the collector is connected to the base of the first 6 output transistor and through the first 7 collector load resistor is connected to the second 8 power supply, the second 9 auxiliary transistor, emitter which is connected to the collector of the second 2 input transistor, the collector is connected to the base of the second 10 output transistor and through the second 11 collector load resistor is connected to the second 8 power supply, an
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.In Fig.1 shows a diagram of the remote control prototype.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на фиг.2.A diagram of the inventive device corresponding to
На фиг.3 показана схема КДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.Figure 3 shows a diagram of the CDA in accordance with
На фиг.4 представлена схема ДУ-прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.5 - заявляемого КДУ (фиг.2).Figure 4 presents a diagram of the remote control prototype (figure 1) in a Cadence computer simulation environment on SiGe models of integrated transistors, and in figure 5 - the claimed CDU (figure 2).
График фиг.6 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Kу) сравниваемых КДУ фиг.4 и 5.The graph of Fig.6 characterizes the frequency dependence of the voltage gain (K y ) compared KDU Fig.4 and 5.
Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 3 источником питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор соединен с базой первого 6 выходного транзистора и через первый 7 резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым 8 источником питания, второй 9 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор соединен с базой второго 10 выходного транзистора и через второй 11 резистор коллекторной нагрузки связан со вторым 8 источником питания, вспомогательный источник напряжения 12, соединенный с базами первого 5 и второго 9 вспомогательных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом 14 устройства, связанным с эмиттером второго 10 выходного транзистора и первым 3 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и первым 3 источником питания, причем коллекторы первого 6 и второго 10 выходных транзисторов подключены ко второму 8 источнику питания. В схему введен первый 16 и второй 17 дополнительные входные транзисторы, а также третий 18 и четвертый 19 вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, коллектор второго 17 дополнительного входного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания, коллектор первого 16 дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, базы первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттер первого 6 выходного транзистора связан с базой четвертого 19 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 19 вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго 9 вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего 18 и четвертого 19 вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым 3 источником питания через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник, база третьего 18 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а коллектор третьего 18 вспомогательного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания.The cascode differential amplifier (Fig. 2) contains the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the first 3 power supply through the first 4 current-stabilizing two-terminal device, the first 5 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the collector of the first 1 input transistor, the collector is connected to the base the first 6 output transistor and through the first 7 collector load resistor is connected to the second 8 power supply, the second 9 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the collector of the second 2 lead transistor, the collector is connected to the base of the second 10 output transistor and through the second 11 collector load resistor is connected to the second 8 power supply, an
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве второго 10 выходного транзистора используется составной транзистор, содержащий биполярный транзистор 21, в эмиттерную цепь которого включены согласующие p-n-переходы 22.In Fig. 3, in accordance with
В соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго 10 выходного транзистора КДУ, фиг.3, может использовать полевой транзистор с изолированным затвором. При этом отпадает необходимость прменения согласующих p-n-переходов 22.In accordance with
Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.Consider the operation of the remote control of figure 2 on alternating current.
Положительное изменение входного напряжения (uвх) приводит к изменению эмиттерных токов транзисторов 1, 16 и 2, 17:A positive change in the input voltage (u I ) leads to a change in the emitter currents of the
где - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора при статическом эмиттерном токе Iэi=I0;Where - resistance of the emitter junction of the i-th transistor with a static emitter current I ei = I 0 ;
φт≈25 мВ - температурный потенциал.φ t ≈25 mV - temperature potential.
Причем суммарное изменение токов общей эмиттерной цепи КДУ iэΣ=iэ1+iэ16=iэ17+iэ2.Moreover, the total change in the currents of the common emitter circuit KDU i eΣ = i e1 + i e16 = i e17 + i e2 .
Приращения iэ1, iэ16 и iэ2 передаются с единичным коэффициентом передачи через транзисторы 5 и 9 в резисторы коллекторной нагрузки 7 и 11The increments i e1 , i e16 and i e2 are transmitted with a unit transmission coefficient through
где rэ=rэ1≈rэ2≈rэ16≈rэ17;wherein r e = r A1 A2 ≈r ≈r E16 ≈r e17;
i19 - приращение коллекторного тока транзистора 19, вызванное изменением напряжения на первом 7 резисторе коллекторной нагрузки, причемi 19 - increment of the collector current of the
где rэ18, rэ19 - дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 18 и 19;where r e18 , r e19 - differential resistance of the emitter junctions of
S1-16 - крутизна усиления сигнала от цепи базы транзистора 1 до базы транзистора 6, причемS 1-16 - the steepness of the signal amplification from the base circuit of the
где rэ1, rэ2 - дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов первого 1 и второго 2 входных транзисторов.where r e1 , r e2 are the differential resistance of the emitter junctions of the first 1 and second 2 input transistors.
Поэтому ток в резисторе 11 (iR1=iк2+iк19)Therefore, the current in the resistor 11 (i R1 = i k2 + i k19 )
В этой связи коэффициент усиления по напряжению КДУ, фиг.2In this regard, the voltage gain KDU, figure 2
В КДУ-прототипеIn the CDU prototype
Следовательно, выигрыш по Kу, который дает предлагаемое техническое решениеTherefore, the gain in K y , which gives the proposed technical solution
то есть Nк>>1.i.e. N to >> 1.
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6), которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление.These theoretical conclusions are confirmed by the results of computer modeling (Fig.6), which show that the proposed amplifier has more than 10 times the best gain.
Таким образом, в предлагаемом КДУ, фиг.2, при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 7 и 11 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.Thus, in the proposed KDU, figure 2, with low-resistance
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ устройств.The inventive scheme is particularly promising for use in microelectronic SiGe products of microwave devices.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патентная заявка США 2010/007419, fig.3.1. US Patent Application 2010/007419, fig. 3.
2. Патент США №7737783.2. US Patent No. 773,783.
3. Патент США №5568092, fig.1.3. US Patent No. 5568092, fig. 1.
4. Патент США №6100759, fig.3.4. U.S. Patent No. 6,100,759, fig. 3.
5. Патентная заявка США 2002/0093380, fig.1.5. US Patent Application 2002/0093380, fig. 1.
6. Патентная заявка США 2009/0195312, fig.1.6. US Patent Application 2009/0195312, fig. 1.
7. Патент США №3541465, fig.3.7. US Patent No. 3541465, fig. 3.
8. Патент США №5440271.8. US Patent No. 5440271.
9. Патент США №6262628, fig.14В.9. US Patent No. 6262628, fig.14B.
10. Патентная заявка США 2006/0181347, fig.2.10. US Patent Application 2006/0181347, fig. 2.
11. Патентная заявка США 2006/0044064, fig.2.11. US Patent Application 2006/0044064, fig. 2.
12. Патент США №6011431, fig.3.12. US Patent No. 6011431, fig. 3.
13. Патент Англии GB 1520085, fig.2.13. England patent GB 1520085, fig. 2.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011101718/08A RU2439780C1 (en) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | Cascode differential amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011101718/08A RU2439780C1 (en) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | Cascode differential amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2439780C1 true RU2439780C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784341
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011101718/08A RU2439780C1 (en) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | Cascode differential amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2439780C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2698470C1 (en) * | 2015-12-01 | 2019-08-27 | Куиквире Лимитед | Improved electrical connector |
WO2024054213A1 (en) * | 2022-09-08 | 2024-03-14 | Zeku, Inc. | Driver amplifiers with differential amplifier arrays |
-
2011
- 2011-01-18 RU RU2011101718/08A patent/RU2439780C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2698470C1 (en) * | 2015-12-01 | 2019-08-27 | Куиквире Лимитед | Improved electrical connector |
WO2024054213A1 (en) * | 2022-09-08 | 2024-03-14 | Zeku, Inc. | Driver amplifiers with differential amplifier arrays |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2419197C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor as to voltage | |
RU2566963C1 (en) | Differential input stage of high-speed operational amplifier for cmos technological processes | |
RU2421887C1 (en) | Differential amplifier with paraphase output | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2331971C1 (en) | Differential amplifier with extended rating of operation | |
RU2595927C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier | |
RU2615070C1 (en) | High-precision two-stage differential operational amplifier | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2469465C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
RU2439778C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2446554C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2432665C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2446555C2 (en) | Differential operational amplifier | |
RU2421894C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2504896C1 (en) | Input stage of high-speed operational amplifier | |
RU2461957C1 (en) | Differential stage with increased voltage gain | |
RU2595926C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier | |
RU2595923C1 (en) | High-speed operational amplifier based on "bent" cascode | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2604684C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier based on "bent" cascade | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2439787C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased amplification ratio |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130119 |