RU2394360C1 - Cascode differential amplifier with increased input resistance - Google Patents
Cascode differential amplifier with increased input resistance Download PDFInfo
- Publication number
- RU2394360C1 RU2394360C1 RU2009110807/09A RU2009110807A RU2394360C1 RU 2394360 C1 RU2394360 C1 RU 2394360C1 RU 2009110807/09 A RU2009110807/09 A RU 2009110807/09A RU 2009110807 A RU2009110807 A RU 2009110807A RU 2394360 C1 RU2394360 C1 RU 2394360C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- current
- additional
- output
- transistor
- 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 датчиков с высоким внутренним сопротивлением, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, широкополосных и избирательных усилителях, фильтрах 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 of sensors with high internal resistance, in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers, broadband and selective amplifiers, filters, etc.).
В современной радиоэлектронике находят применение каскодные дифференциальные усилители (КДУ) на основе параллельно-балансных каскадов. Такие КДУ являются основой многих широкополосных усилителей, фазорасщепителей, аналоговых перемножителей напряжения, удвоителей частоты и т.п.[1-16].In modern electronics, cascode differential amplifiers (CDA) based on parallel-balanced cascades are used. Such CDFs are the basis of many broadband amplifiers, phase splitters, analog voltage multipliers, frequency doublers, etc. [1-16].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства фиг.1 является КДУ, представленный в патенте США №4.843.342 fig. 1. Он содержит входной параллельно-балансный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 токовые выходы, связанные с эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, базы которых объединены и соединены с источником напряжения смещения 8, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9, вспомогательный делитель тока 10, имеющий основной вход 11, а также первый 12 и второй 13 выходы, связанные с соответствующими первым 2 и вторым 3 входами входного параллельно-балансного каскада 1.The closest prototype of the claimed device of figure 1 is the CDA, presented in US patent No. 4.843.342 fig. 1. It contains an input parallel-
Существенный недостаток известного устройства (фиг.1) состоит в том, что он имеет сравнительно небольшое входное сопротивление для переменного сигнала, существенно зависящее от коэффициента усиления по току базы (β) входных транзисторов (VT1, VT2) и статического режима (I0) их общей эмиттерной цепи:A significant drawback of the known device (Fig. 1) is that it has a relatively small input impedance for an alternating signal, which substantially depends on the current gain of the base (β) of the input transistors (VT1, VT2) and their static mode (I 0 ) common emitter circuit:
где - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов VT1 и VT2 каскада 1;Where - resistance of the emitter junctions of the input transistors VT1 and VT2 of
φт≈26 мВ - температурный потенциал;φ t ≈26 mV - temperature potential;
Iэ.р=0,5I0 - эмиттерный ток входных транзисторов.I er = 0.5I 0 is the emitter current of the input transistors.
Для повышения RBX приходится выбирать микрорежим для входных транзисторов КДУ. Однако при этом деградирует коэффициент усиления по напряжению КДУ:To increase R BX, you have to choose a micro mode for the input transistors of the CDU. However, in this case, the voltage gain of the KDU degrades:
где Rн.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки КДУ.where R n.Eq - equivalent load resistance KDU.
Для повышения в известных КДУ может также применяться местная отрицательная обратная связь (в эмиттеры VT1, VT2 вводятся резисторы). Однако при этом ухудшаются другие параметры КДУ -коэффициент усиления по напряжению, напряжение смещения нуля, коэффициент подавления помехи по питанию, ослабление синфазных сигналов и др.For increase In well-known CDDs, local negative feedback can also be used (resistors are introduced into the emitters VT1, VT2). However, at the same time, other KDU parameters deteriorate - voltage gain, zero bias voltage, power supply noise reduction coefficient, common mode signal attenuation, etc.
Таким образом, обобщенный показатель качества ДУ - произведение KyRBX=Q не зависит от статического режима и может быть улучшен в известных устройствах только ценой увеличения β транзисторов и Rн.экв:Thus, the generalized indicator of the quality of remote control - the product K y R BX = Q does not depend on the static mode and can be improved in known devices only at the cost of increasing β transistors and R n.equiv :
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении входного сопротивления RBX без ухудшения Кy и токопотребления КДУ. В целом это позволяет обеспечить улучшение обобщенного показателя качества Q. Дополнительная цель - в уменьшении статических входных токов КДУ.The main objective of the invention is to increase the input impedance R BX without impairing K y and current consumption of the CDU. In general, this allows to improve the generalized indicator of quality Q. An additional goal is to reduce the static input currents of the CDU.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 токовые выходы, связанные с эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, базы которых объединены и соединены с источником напряжения смещения 8, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9, вспомогательный делитель тока 10, имеющий основной вход 11, а также первый 12 и второй 13 выходы, связанные с соответствующими первым 2 и вторым 3 входами входного параллельно-балансного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - входной параллельно-балансный каскад 1 содержит первый 12 дополнительный токовый выход, синфазный с первым 4 основным токовым выходом, второй 13 дополнительный токовый выход, синфазный со вторым 5 основным токовым выходом, причем первый 12 и второй 13 дополнительные токовые выходы связаны с эмиттером первого дополнительного транзистора 14, база которого соединена с источником напряжения смещения 8, а коллектор подключен к эмиттеру второго 15 дополнительного транзистора, база второго 15 дополнительного транзистора подключена ко входу 16 вспомогательного токового зеркала 17, выход которого соединен со входом 11 вспомогательного делителя тока 10.This goal is achieved in that in the cascode differential amplifier of Fig. 1, containing an input parallel-
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
В схеме фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6 показаны примеры выполнения вспомогательного делителя тока 10.In the circuit of FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5, and FIG. 6, examples of an auxiliary
На фиг.7 приведена частная схема заявляемого устройства фиг.2 в соответствии с п.1, п.2 и п.5 формулы изобретения.Figure 7 shows a particular diagram of the inventive device of figure 2 in accordance with
На фиг.8 представлена схема КДУ фиг.7 без цепей компенсации (что соответствует КДУ-прототипу) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.9 показана схема заявляемого устройства.On Fig presents a diagram of the KDU of Fig.7 without compensation circuits (which corresponds to the KDU prototype) in the computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar, and Fig.9 shows a diagram of the inventive device.
Графики фиг.10 характеризуют температурные зависимости входных токов КДУ фиг.8 и КДУ фиг.9, из которых следует, что предлагаемое устройство имеет более чем на порядок меньший статический входной ток.The graphs of Fig. 10 characterize the temperature dependences of the input currents of the KDU of Fig. 8 and the KDU of Fig. 9, from which it follows that the proposed device has more than an order of magnitude smaller static input current.
На фиг.11 показаны частотные зависимости входных сопротивлений заявляемого фиг.9 и известного фиг.8 дифференциальных усилителей, из которых следует, что входное сопротивление предлагаемой схемы почти на порядок больше, чем у КДУ-прототипа.In Fig.11 shows the frequency dependence of the input resistances of the claimed Fig.9 and the known Fig.8 differential amplifiers, from which it follows that the input impedance of the proposed circuit is almost an order of magnitude greater than the KDU prototype.
Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 токовые выходы, связанные с эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, базы которых объединены и соединены с источником напряжения смещения 8, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9, вспомогательный делитель тока 10, имеющий основной вход 11, а также первый 12 и второй 13 выходы, связанные с соответствующими первым 2 и вторым 3 входами входного параллельно-балансного каскада 1. Входной параллельно-балансный каскад 1 содержит первый 12 дополнительный токовый выход, синфазный с первым 4 основным токовым выходом, второй 13 дополнительный токовый выход, синфазный со вторым 5 основным токовым выходом, причем первый 12 и второй 13 дополнительные токовые выходы связаны с эмиттером первого дополнительного транзистора 14, база которого соединена с источником напряжения смещения 8, а коллектор подключен к эмиттеру второго 15 дополнительного транзистора, база второго 15 дополнительного транзистора подключена ко входу 16 вспомогательного токового зеркала 17, выход которого соединен со входом 11 вспомогательного делителя тока 10.The cascode differential amplifier with increased input impedance of FIG. 2 comprises an input parallel-
В схеме фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициент передачи по току вспомогательного токового зеркала 17 близок к двум единицам.In the circuit of FIG. 2, in accordance with
В схеме фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения вспомогательный делитель тока 10 содержит первый 25 и второй 26 резисторы, общий узел которых связан с его основным входом 11, а вторые выводы резисторов подключены к первому 12 и второму 13 дополнительным токовым выходам вспомогательного делителя тока 10.In the circuit of FIG. 3, in accordance with
В схеме фиг.4 в соответствии с п.4 формулы изобретения вспомогательный делитель тока 10 содержит первый 27 и второй 28 p-n переходы, общий узел которых связан с его основным входом 11, а вторые выводы p-n переходов подключены к первому 12 и второму 13 дополнительным токовым выходам вспомогательного делителя тока 10.In the circuit of FIG. 4, in accordance with
В схеме фиг.5 в соответствии с п.5 формулы изобретения вспомогательный делитель тока 10 содержит первый 29 и второй 30 транзисторы, эмиттеры которых связаны с его основным входом 11, коллектор второго транзистора 30 подключен к первому 12, а коллектор второго 29 - ко второму 13 дополнительному токовому выходу вспомогательного делителя тока 10, причем база первого 29 транзистора соединена с коллектором второго 30 транзистора, а база второго 30 транзистора связана с коллектором первого 29 транзистора.In the circuit of FIG. 5, in accordance with
Рассмотрим работу ДУ фиг.7.Consider the operation of the remote control of Fig.7.
В статическом режиме статический входной ток КДУ IBX.1 определяется разностью тока базы Iб18.19 и коллекторного тока транзистора 30:In static mode, the static input current KDU I BX.1 is determined by the difference between the base current I b18.19 and the collector current of the transistor 30:
где β18.19 =β18 =β19 - коэффициенты усиления по току базы транзисторов 18 и 19.where β 18.19 = β 18 = β 19 are the current gain of the base of
В свою очередьIn its turn
где Kil2.10=2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 10;where K il2 . 10 = 2 - current transfer coefficient of the
β15 - коэффициент усиления по току базы транзистора 15;β 15 - current gain of the base of the
I22 =4I0 - суммарный ток общей эмиттерной цепи транзисторов 18, 19, 20 и 21.I 22 = 4I 0 - the total current of the total emitter circuit of the
Таким образом, статический входной ток ДУ, фиг.7Thus, the static input current of the remote control, Fig.7
Так как транзисторы 18, 19 и 15 идентичны и имеют одинаковый тип проводимости, то у них β15=β18.19, поэтому входной ток КДУ существенно уменьшается.Since the
Это первое достоинство предлагаемой схемы.This is the first advantage of the proposed scheme.
Второе преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что в схеме фиг.7 обеспечивается компенсация не только статических входных токов Iвх.1 и Iвх.2, но и их приращений iвх.1 и iвх.2. Как следствие входное сопротивление КДУ фиг.7 для переменного тока существенно повышается. Действительно, при увеличении напряжения uвх на входе Вх.1 относительно входа Вх.2 увеличивается ток базы iб18.19:The second advantage of the proposed device is that in the circuit of Fig. 7, compensation is provided not only for the static input currents I input 1 and I input 2 , but also their increments i input 1 and i input 2 . As a consequence, the input resistance of the KDU of Fig. 7 for alternating current is significantly increased. Indeed, with an increase in the voltage u I at the input Bx.1 relative to the input Bx.2, the base current i b18.19 increases :
где Where
rэ18, rэ20 - сопротивления эмиттерного перехода входных транзисторов 18 и 19 каскада 1;r e18 , r e20 - resistance of the emitter transition of the
φт=25 мВ - температурный потенциал;φ t = 25 mV - temperature potential;
- эмиттерный ток транзисторов 18 и 20. - emitter current of
Поэтомуtherefore
С другой стороны, приращения коллекторных токов транзисторов 29 и 30On the other hand, the collector current increments of
где rэ29=rэ30 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 29 и 30.where r e29 = r e30 - resistance of the emitter junctions of
ПричемMoreover
где I11=Кi12.10Iб.15=2Iб.15 - выходной ток токового зеркала 10;where I 11 = K i12.10 I b.15 = 2I b.15 - the output current of the
Кi12.1≈2 - коэффициент усиления по току токового зеркала 10;To i12.1 ≈2 is the current gain of the
Iб.15 - ток базы транзистора 15.I b.15 - base current of the
Таким образом,In this way,
где β15- коэффициенты усиления по току базы транзистора 15.where β 15 - current gain of the base of the
Следовательно, суммарный входной ток КДУ и его входная дифференциальная проводимостьTherefore, the total input current of the KDU and its input differential conductivity
В КДУ-прототипе фиг.1 входная проводимостьIn the KDU prototype of figure 1, the input conductivity
Следовательно, в заявляемом ДУ входное сопротивление увеличивается в Ny раз, гдеTherefore, in the claimed remote control input resistance increases in N y times, where
Полученные выше теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования известной и предлагаемой схем в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (фиг.10, фиг.11). При этом заявляемый КДУ имеет почти на два порядка большие значения входного сопротивления. Данный результат обеспечивается без ухудшения других параметров КДУ. Кроме этого, статические входные токи заявляемого КДУ и их дрейф значительно меньше, чем в схеме КДУ-прототипа (фиг.10).The theoretical conclusions obtained above are confirmed by the simulation results of the known and proposed circuits in the PSpice environment on models of integrated transistors of the Federal State Unitary Enterprise NPP Pulsar (Fig. 10, Fig. 11). Moreover, the claimed KDU has almost two orders of magnitude higher input impedance. This result is provided without deterioration of other parameters of the CDD. In addition, the static input currents of the claimed KDU and their drift are significantly less than in the circuit of the KDU prototype (figure 10).
Для обеспечения высокой степени компенсации входных токов КДУ фиг.2 и его входной проводимости необходимо у транзисторов 15 и 18, 19 иметь β15=β18.19.Так как β зависит от напряжения коллектор-база транзисторов 15 и 18, 19 (20, 21), то за счет специального построения токового зеркала 17 можно создать Uкб.15≈Uкб.18.19, что еще больше повышает эффективность заявляемой схемы по величине получаемых RBX и Iвх.1.To ensure a high degree of compensation of the input currents of the KDU of Fig. 2 and its input conductivity, it is necessary for
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патентная заявка США №2002/0053935.1. US patent application No. 2002/0053935.
2. Патент США №5.767.741.2. US Patent No. 5,767.741.
3. Патент США №5.55.512.3. US Patent No. 5.55.512.
4. Патент США №6.111.463.4. US patent No. 6.111.463.
5. Патент США №4.498.053 fig.6.5. US Patent No. 4,498.053 fig.6.
6. Патент США №4.288.707 fig.2.6. US patent No. 4.288.707 fig.2.
7. Патент США №5.065.112 fig.3.7. US Patent No. 5,065.112 fig. 3.
8. Патент США №4.721.920.8. US patent No. 4.721.920.
9. Патент США №5.521.544 fig.6.9. US patent No. 5.521.544 fig.6.
10. Патент США №5.256.984.10. US patent No. 5.256.984.
11. Патент США №5.389.893 fig.5.11. US patent No. 5.389.893 fig. 5.
12. Патент США №4.439.696 fig.2.12. US Patent No. 4,439,696 fig. 2.
13. А.св. СССР №600545.13. A. St. USSR No. 600545.
14. Патент США №5.914.639.14. US patent No. 5.914.639.
15. Патентная заявка США №2004/0251965.15. US patent application No. 2004/0251965.
16. Патент США №5.774.020.16. US Patent No. 5,774,020.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009110807/09A RU2394360C1 (en) | 2009-03-24 | 2009-03-24 | Cascode differential amplifier with increased input resistance |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009110807/09A RU2394360C1 (en) | 2009-03-24 | 2009-03-24 | Cascode differential amplifier with increased input resistance |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2394360C1 true RU2394360C1 (en) | 2010-07-10 |
Family
ID=42684784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009110807/09A RU2394360C1 (en) | 2009-03-24 | 2009-03-24 | Cascode differential amplifier with increased input resistance |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2394360C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2519446C2 (en) * | 2012-08-31 | 2014-06-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
-
2009
- 2009-03-24 RU RU2009110807/09A patent/RU2394360C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2519446C2 (en) * | 2012-08-31 | 2014-06-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1914887B1 (en) | Differential amplifier with current source controlled through differential feedback | |
RU2365969C1 (en) | Current mirror | |
RU2684489C1 (en) | Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures | |
RU2394360C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input resistance | |
Kumngern | DDTA and DDCCTA: New active elements for analog signal processing | |
RU2416146C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2346388C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2396699C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input differential resistance | |
RU2419196C1 (en) | Broad-band differential amplifier | |
RU2396698C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2346386C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2319296C1 (en) | Fast action differential amplifier | |
RU2460206C1 (en) | Cascode microwave amplifier with low supply voltage | |
RU2433523C1 (en) | Precision differential operational amplifier | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2459348C1 (en) | Operational amplifier having gain adjustment circuit | |
RU2421893C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2658818C1 (en) | Differential voltage-current converter with wide range of linear operation | |
RU2411634C1 (en) | Differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2310269C1 (en) | Common-mode signal negative-feedback differential amplifier | |
RU2383099C2 (en) | Differential amplifier with low-resistance inputs | |
RU2420863C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2320078C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2293433C1 (en) | Differential amplifier with increased weakening of input cophased signal | |
RU2346387C1 (en) | Low-voltage differential amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130325 |