Особенности проектирования дифференциальных усилителей с повышенным коэффициентом усиления при низкоомной нагрузке

Прокопенко Николай Николаевич; Серебряков Александр Игоревич; Манжула Владимир Гавриилович

-►

Радиотехника, антенны, СВЧ-устройства

УДК 621.37

Н.Н. Прокопенко, А.И. Серебряков, В.Г. Манжула

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНцИАЛЬНЫХ

усилителей с повышенным коэффициентом усиления

ПРИ НИЗКООМНОЙ НАГРУЗКЕ

В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Для повышения коэффициентов усиления по напряжению (Ку) применяются схемы со «следящим» питанием токового зеркала, которое обеспечивается за счет вспомогательного повторителя напряжения, передающего выходной сигнал токового зеркала в цепь его эмиттерного выхода [1-5].

Существенный недостаток ДУ этого класса состоит в том, что при низкоомной нагрузке Ян = 50-100 Ом и классическом построении буферного усилителя на основе эмиттерного повторителя его Ку получается небольшим. Улучшение в 8-10 раз при Ян = 50 100 Ом может обеспечить рассмотренное ниже схемотехническое решение, использующее принцип взаимной компенсации паразитных импедансов.

Схема предлагаемого ДУ показана на рис. 1. Параметры первого БУ1 и второго БУ2 буферных усилителей, а также параметры первой Ян1 и второй Ян2 цепей нагрузки должны удовлетворять условию:

Я . К = Я К ,

н1 г.1 н2 1.2 '

где К , К.2 - коэффициенты усиления по току БУ1 и БУ2; Ян1, Ян2 - эквивалентные сопротивления цепей нагрузки.

Рассмотрим работу схемы при низкоомной нагрузке Я 1 и К,1 Ф да, К 2 Ф да (например,

К.1 = К.2 = 50). н

В статическом режиме коллекторные токи (1к.) транзисторов VT1 и VT2 устанавливаются двухполюсником I:

1к1 = 1к2 = 0,511 = I0,

(1)

где 10 = 11 /2.

Через эмиттерный выход токового зеркала ПТ1 при введении общей отрицательной обратной связи протекает статический ток, равный 21 Для минимизации напряжения смещения нуля ДУ (и ) рекомендуется выбирать ток двухполюсника I на уровне

I = 21 = 41 (2)

2 1 0 4 '

В качестве буферных усилителей БУ1 и БУ2 при работе в ВЧ и СВЧ диапазонах следует использовать классические эмиттерные повторители на одиночных п-р-п транзисторах или так называемые «бриллиантовые» транзисторы. Цепи нагрузки Ян1 и Ян2могут иметь непосредственную или емкостную связь с буферными усилителями БУ1 и БУ2.

При реализации ДУ по SiGe технологии SG25VD, внедряемой российскими предприятиями, токовое зеркало ПТ1 и повторитель напряжения ПН1 могут быть реализованы на КМОП транзисторах.

Если на вход Вх.(+)1 подается напряжение ивх, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора VT1 и уменьшение коллекторного тока транзистора VT2. Как следствие, увеличивается напряжение на токовом выходе 1 (и > 0) и напряжение в нагрузке Я (и ~ м1). При этом за счет передачи напряжения и1 в узел 3 и далее на первый токовый выход обеспечивается равенство

И3 ~ и1 ~ и2 ~ ин2 ~ ин1. (2)

Как следствие, в цепи выходов (1) и (2) возникают приращения токов 1 и 2:

и =

Рис. 1. Архитектура ДУ с повышенным коэффициентом усиления

, ц= (3)

'2 '1

где Я, Ян2 - эквивалентные сопротивления первой и второй цепей нагрузки; г2 ~ К.2Ян2 - эквивалентное сопротивление нагрузки Ян2 , приведенное к узлу 2; г1 ~ Кп Ян1 - эквивалентное сопротивление нагрузки Ян1, приведенное к узлу 1; К.2, Кп - коэффициенты усиления по току буферных усилителей БУ2 и БУ1 (К2 = 20 - 80, Кп = 20 - 80).

Приращение тока г2 поступает на выход токового зеркала ПТ1. Поэтому в узле 1 происходит взаимная компенсация двух близких по величине токов г , = г' и г,. Разный ток в этом

пт1 2 1

узле (1):

Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ (рис. 1) увеличивается:

К

Г1.эф

где гэ1=г.

у.шах

Фт

Гэ1 + Гэ 2

»

Гэ1 + Гэ2

(6)

э2

сопротивления эмиттерных

— и.

1 1

1пт1 \

'2 У

=11 — н =

( \

М1 1

1 Г2,

(4)

переходов транзисторов VT1 и VT2; фТ = 26 мВ -температурный потенциал.

В классическом ДУ [1] эквивалентное сопротивление в узле 1:

Л и К.. Я.. (7)

1 г1 н1 4 '

Таким образом, выигрыш по коэффициенту усиления, который обеспечивает схема на рис. 1, определяется как

д. _ у лире _ У V

у.кл.

1

КПКп2

»1.

(8)

где г'пт1 - выходной ток токового зеркала ПТ1.

Если выбрать г1 = г то в этом случае эффективное сопротивление в цепи первого токового выхода (1) существенно возрастает:

Г1.эф —

__'1

1-

»#1.

(5)

Если выбрать Кл Ян1 = К.2 Ян2, то N >>1.

Дальнейшим развитием схемы на рис. 1 является схема на рис. 2, в которой обеспечивается взаимная компенсация не только сопротивлений цепей нагрузки Ян2 и Ян1, но и эквивалентных сопротивлений Я1 и Я2, которые нагружают выходы эмиттерных повторителей ПН1 и ПН2. Такая

Радиотехника, антенны, СВЧ-устройства

Рис. 2. Способ взаимной компенсации влияния на К сопротивлений двухполюсников I и I3

ситуация возникает в ряде частных случаев построения, напрмер, прецизионных операционных усилителей.

Для данного варианта ДУ необходимо одновременно обеспечить равенства:

(9)

КгПН2 Я2 = КгПН1 Я1,

К^ГЛЯ =

гБУ1 н1 гБУ2 н2'

(10)

где К - коэффициент передачи по току повторителей напряжения ПН; К.БУ - коэффициент передачи по току буферных усилителей.

В этом случае эквивалентные сопротивления в узлах 2 и 1 будут одинаковы (г1* = г2*), что является одним из условий повышения Ку.

На рис. 3 показана схема классического ДУ с Ян2 = Я4 = да (рис. 3, а) и схема предлагаемого ДУ с Ян2 = Я4 = Ян1 = Я5 = 50 Ом (рис. 3, б) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на рис. 4 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (без элементов частотной коррекции). Данные графики показывают, что при низкоомной нагрузке

Рис. 3. а - схема ДУ при Ян = да; б - схема предлагаемого ДУ при Ян = 50 Ом в среде компьютерного моделирования PSpice

Рис. 4. Зависимость коэффициентов усиления по напряжению сравниваемых схем от частоты

(без элементов коррекции)

(50 Ом), коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается на 26 дБ. Это важное достоинство данных схем при их реализации в рамках технологических процессов SG25H2 с малыми напряжениями питания транзисторов.

Представленные на рис. 4 графики подтверждают теоретические выводы. Моделирование схем показывает, что при выборе Ян2 несколько меньше, чем Ян1, выигрыш по К увеличивается

на 25^30 дБ. Причем К достигает величины 55^60 дБ при Ян1 = 50 Ом. У

Применение принципов взаимной компенсации импедансов позволяет обеспечить построение дифференциальных усилителей с повышенным коэффициентом усиления без увеличения числа последовательно соединенных транзисторных каскадов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент США № 4.857.862, fig. 1

2. Патент США № 4.595.883, fig. 7

3. Патентная заявка США № 2005/00358216 fig. 4

4. Патент США № 2006/0044068 fig.la

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Авторское свидетельство СССР № 987605

УДК 621.371.25;550.388.2

А.Е. Недопёкин, А.А. Колчев, В.В. Шумаев

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО СМЕЩЕНИЯ ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННОГО ЛЧМ СИГНАЛА

Один из основных параметров ионосферной дифференциальный доплеровский сдвиг между радиолинии, влияющих на надежность и помехо- лучами. Ионосферный канал распространения -устойчивость работы радиотехнических систем, - многолучевой, нестационарный, обладающий

Текст научной работы на тему «Особенности проектирования дифференциальных усилителей с повышенным коэффициентом усиления при низкоомной нагрузке»