RU2422981C1 - Differential ac amplifier - Google Patents
Differential ac amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2422981C1 RU2422981C1 RU2010121019/09A RU2010121019A RU2422981C1 RU 2422981 C1 RU2422981 C1 RU 2422981C1 RU 2010121019/09 A RU2010121019/09 A RU 2010121019/09A RU 2010121019 A RU2010121019 A RU 2010121019A RU 2422981 C1 RU2422981 C1 RU 2422981C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- output
- input
- bus
- load
- 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, ВЧ- и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, RF and microwave AC amplifiers, etc.).
В современной микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители переменного тока (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал (ТЗ), которые позволяют получить высокий коэффициент усиления. Особое место в этом классе ДУ занимают несимметричные [1-3] и симметричные [4] схемы на основе так называемого «перегнутого» включения токовых зеркал, которые могут быть реализованы только на n-р-n-транзисторах, либо с применением некачественных р-n-р-транзисторов в структуре токостабилизирующих двухполюсников. В связи с широким внедрением в России и других странах мира SiGe технологии SG25VD, не допускающей применение р-n-р активных элементов, совершенствование схемотехники рассматриваемого класса устройств представляет собой достаточно актуальную задачу.In modern microelectronics, differential AC amplifiers (ДУ) with active loads in the form of current mirrors (TK) are widely used, which allow to obtain a high gain. A special place in this class of remote control is occupied by asymmetric [1-3] and symmetric [4] circuits based on the so-called “bent” inclusion of current mirrors, which can be implemented only on n-p-n-transistors, or using low-quality p- np transistors in the structure of current-stabilizing two-terminal devices. In connection with the widespread adoption of SG25VD technology in Russia and other countries of the world SiGe, which does not allow the use of pnp active elements, improving the circuitry of the class of devices under consideration is a fairly urgent task.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель в устройстве по заявке US 2004/0008085, fig.5.The closest in technical essence to the claimed device is a differential amplifier in the device according to the application US 2004/0008085, fig.5.
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-3], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Еп), характерных для SiGe технологических процессов (Еп≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим (Куmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Еп не могут выбираться высокоомными.A significant drawback of the known DE, the architecture of which is also present in other amplification stages [1-3], is that under restrictions on the supply voltage (E p ) characteristic of SiGe technological processes (E p ≤2.0 ÷ 2.5 C), its voltage gain (K y ) is small (K max = 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.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и его работе с переменными сигналами ВЧ- и СВЧ-диапазонов.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 and its operation with alternating signals of the high and microwave ranges.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе переменного тока (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала.The problem is solved in that in an alternating current differential amplifier (Fig. 1) containing an input
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.In Fig.1 shows a diagram of the remote control prototype.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.A diagram of the inventive device corresponding to the claims is shown in figure 2.
На фиг.4 представлена схема заявляемого ДУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.Figure 4 presents a diagram of the claimed remote control (figure 2) in the computer simulation environment Cadence on models of integrated transistors HJW.
График фиг.4 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Ку) ДУ (фиг.3) при разных значениях емкости разделительных конденсаторов С13=С0=С15=С1=υar.The graph of Fig. 4 characterizes the frequency dependence of the voltage gain (K y ) of the remote control (Fig. 3) at different values of the capacitance of the separation capacitors C 13 = C 0 = C 15 = C 1 = υar.
Дифференциальный усилитель переменного тока (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки. Второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16, 17 и источнике тока 18.The differential AC amplifier (Fig. 2) contains an input
Первое 7 токовое зеркало реализовано на основе транзистора 19 и р-n-перехода 20, второе 8 токовое зеркало включает транзистор 21 и р-n-переход 22.The first 7 current mirror is implemented based on the transistor 19 and the pn junction 20, the second 8 current mirror includes a transistor 21 and the pn junction 22.
Статический режим ДУ (фиг.2) устанавливается источником тока 18, а также токостабилизирующими двухполюсниками 4 и 5.The static mode of the remote control (figure 2) is set by the current source 18, as well as the current-stabilizing two-
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.Consider the operation of the remote control (figure 2) on alternating current.
Предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» при емкостях разделительных конденсаторов 13 (С13) и 15 (C15), равных нулю и R10>>R12, R11>>R14, определяется сопротивлением первого 10 резистора коллекторной нагрузки:The maximum gain factor for the voltage of the remote control (figure 2) for the output "Out.1" with the capacitance of isolation capacitors 13 (C 13 ) and 15 (C 15 ) equal to zero and R10 >> R12, R11 >> R14, is determined by the resistance of the first 10 collector resistors:
где S1-2≈(rэ16+rэ17)-1 - крутизна усиления ДУ в режиме короткого замыкания по его выходу «Вых.1», зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (rэ16, rэ17) транзисторов 16 и 17.where S 1-2 ≈ (r e16 + r e17 ) -1 is the slope of the amplification of the remote control in the short circuit mode at its output "Out.1", depending on the resistance of the emitter junctions (r e16 , r e17 ) of the transistors 16 and 17.
Более высокие значения Ку в диапазоне средних частот, когда влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 на Ку можно пренебречь, реализуются в схеме фиг.2 при С13=С15≠0.Higher values of K y in the mid-frequency range, when the influence of the capacitances of the separation capacitors 13 and 15 on K y can be neglected, are realized in the circuit of FIG. 2 at C 13 = C 15 ≠ 0.
Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» определяется по формуле:Indeed, the complex transmission coefficient for the voltage of the remote control (figure 2) at the output "Out.1" is determined by the formula:
где - комплекс эквивалентного выходного импеданса в цепи первого выхода устройства (узел В); - комплексная крутизна ДУ в режиме короткого замыкания его первого выхода.Where - a complex of equivalent output impedance in the circuit of the first output of the device (node B); - the integrated slope of the remote control in the short circuit mode of its first output.
Комплекс эквивалентной нагрузки можно найти по формуле:Equivalent Load Complex can be found by the formula:
где - выходной ток узла «В» в классическом режиме определения выходного сопротивления электронной подсхемы.Where - the output current of the node "B" in the classical mode of determining the output resistance of the electronic subcircuit.
ПричемMoreover
, ,
- комплексы входного и выходного токов первого 7 токового зеркала; - complexes of input and output currents of the first 7 current mirrors;
, - комплексы токов через двухполюсники 10 и 11; , - complexes of currents through bipolar 10 and 11;
- комплекс импеданса второго 15 разделительного конденсатора; - impedance complex of the second 15 isolation capacitor;
, rвх.7 - коэффициент передачи по току первого 7 токового зеркала и его входное сопротивление. , r I.7 - current transfer coefficient of the first 7 current mirror and its input resistance.
После преобразований последней формулы с учетом симметрии схемы (uвых.1=uвых.2=uвых) находим, чтоAfter transformations of the last formula, taking into account the symmetry of the circuit (u out.1 = u out.2 = u out ) we find that
Поэтому комплекс коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.2Therefore, the voltage gain complex of the remote control of FIG. 2
или при :or at :
где - коэффициент усиления ДУ-прототипа.Where - gain of the remote control prototype.
Таким образом, выигрыш по Ку, который дает схема ДУ фиг.2 в сравнении с прототипом фиг.1:Thus, the gain in K y , which gives the scheme of the remote control of figure 2 in comparison with the prototype of figure 1:
В области средних частот, когда можно пренебречь влиянием емкостей конденсаторов 13 и 15 на и :In the mid-frequency region, when the influence of capacitors 13 and 15 on and :
Из уравнения (8) следует ряд важных выводов:From equation (8), a number of important conclusions follow:
1. Во-первых, эффективность по Ку предлагаемого схемотехнического решения фиг.2 зависит от параметров: Кi7, R10/R11, rвх.7/R14.1. Firstly, the K efficiency of the proposed circuitry of FIG. 2 depends on the parameters: K i7 , R 10 / R 11 , r input 7 / R 14 .
2. Во-вторых, для получения максимального выигрыша по Ку необходимо выбирать:2. Secondly, to obtain the maximum gain in K y you must choose:
В этом случае .In this case .
График фиг.4, полученный в результате моделирования схемы фиг.3 в среде Cadence, показывает, что выигрыш по Ку в диапазоне средних частот, в котором влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 (C15=C13=C1=C0) можно пренебречь, достигает 16 дБ (т.е. почти десять раз).The graph of Fig. 4, obtained as a result of modeling the circuit of Fig. 3 in the Cadence environment, shows that the gain in K y in the mid-frequency range, in which the influence of capacitances of isolation capacitors 13 and 15 (C 15 = C 13 = C 1 = C 0 ) can be neglected, reaches 16 dB (i.e., almost ten times).
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных СВЧ-устройствах, реализуемых по внедряемому в России техпроцессу SG25VD, не допускающему применение р-n-р-транзисторов.The inventive circuit is especially promising for use in microelectronic microwave devices implemented by the SG25VD process technology being introduced in Russia, which does not allow the use of pnp transistors.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №4.418.290 fig.10.1. US patent No. 4.418.290 fig.10.
2. Патент США №5.376.897.2. US patent No. 5.376.897.
3. Патент США №4.366.445.3. US patent No. 4.366.445.
4. Патентная заявка США 2004/0008085.4. US Patent Application 2004/0008085.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010121019/09A RU2422981C1 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Differential ac amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010121019/09A RU2422981C1 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Differential ac amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2422981C1 true RU2422981C1 (en) | 2011-06-27 |
Family
ID=44739442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010121019/09A RU2422981C1 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Differential ac amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2422981C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2469467C1 (en) * | 2011-10-21 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Multistage alternating current amplifier |
| RU2543298C2 (en) * | 2012-07-27 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Controlled selective amplifier |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4366445A (en) * | 1981-02-27 | 1982-12-28 | Motorola, Inc. | Floating NPN current mirror |
| US4547744A (en) * | 1980-06-02 | 1985-10-15 | U.S. Philips Corporation | Integrated amplifier arrangement |
| US20040008085A1 (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-15 | Conexant Systems, Inc. | Driver circuits and methods |
-
2010
- 2010-05-24 RU RU2010121019/09A patent/RU2422981C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4547744A (en) * | 1980-06-02 | 1985-10-15 | U.S. Philips Corporation | Integrated amplifier arrangement |
| US4366445A (en) * | 1981-02-27 | 1982-12-28 | Motorola, Inc. | Floating NPN current mirror |
| US20040008085A1 (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-15 | Conexant Systems, Inc. | Driver circuits and methods |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2469467C1 (en) * | 2011-10-21 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Multistage alternating current amplifier |
| RU2543298C2 (en) * | 2012-07-27 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Controlled selective amplifier |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Feng et al. | Pole-converging intrastage bandwidth extension technique for wideband amplifiers | |
| RU2419197C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor as to voltage | |
| RU2428786C1 (en) | Cascode amplifier | |
| RU2421879C1 (en) | Differential amplifier with high-frequency compensation | |
| RU2421880C1 (en) | Broadband amplifier | |
| RU2427071C1 (en) | Broadband amplifier | |
| RU2422981C1 (en) | Differential ac amplifier | |
| RU2380824C1 (en) | Alternating current amplifier with controlled amplification | |
| RU2416146C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
| RU2536672C1 (en) | Low-output capacitance composite transistor | |
| RU2413355C1 (en) | Differential amplifier with paraphase output | |
| RU2421888C1 (en) | Differential amplifier | |
| RU2436227C1 (en) | Broadband amplifier | |
| RU2421881C1 (en) | Differential amplifier | |
| RU2432667C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
| RU2475942C1 (en) | Broadband differential amplifier | |
| RU2321156C1 (en) | Broadband amplifier | |
| RU2421882C1 (en) | Two-cascade hf-amplifier | |
| RU2374757C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
| RU2396698C1 (en) | Differential amplifier | |
| RU2423778C1 (en) | High-frequency compensation cascode differential amplifier | |
| CN101453196A (en) | Amplifier circuit | |
| RU2468503C1 (en) | Cascode amplifier | |
| RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
| RU2459348C1 (en) | Operational amplifier having gain adjustment circuit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130525 |