RU2321160C1

RU2321160C1 - Cascode differential amplifier with extended range of active operation

Info

Publication number: RU2321160C1
Application number: RU2006136051/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Андрей Васильевич Хорунжий (RU); Андрей Васильевич Хорунжий; Сергей Владимирович Крюков (RU); Сергей Владимирович Крюков
Original assignee: ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-03-27

Abstract

FIELD: radio engineering and communications, possible use as device for amplifying analog signals, in the structure of analog microchips of various functional purposes (for example, in operational amplifiers, comparators).

SUBSTANCE: cascode differential amplifier with expanded range of active operation contains input differential cascade (1), common emitter circuit (2) of which includes supporting current supply (3), made on basis of auxiliary transistor (4), first (5) and second (6) output transistors, bases of which are connected and coupled with shifting voltage supply (7), while the emitter of the transistor (5) is connected to first output (8) of cascade (1) and through first current-stabilizing dipole (9) is connected to bus (10) of first power supply, emitter of transistor (6) is connected to second (11) output of cascade (1) and is connected to bus (10) of power supply through second current-stabilizing dipole (12), collector of transistor (5) is connected to base of third output transistor (13), emitter of which is connected to bus (14) of second power supply and to emitter (4), and collector is connected to collector of transistor (6) and to output of differential amplifier (15). The base of the auxiliary transistor (4) is connected to collector of transistor (5) and to base of transistor (13).

EFFECT: increased efficiency.

2 cl, 6 dwg

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, операционных усилителях (ОУ), компараторах).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 for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps), comparators).

Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 200 патентов для ведущих производителей микроэлектронных изделий. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.Known circuits of the so-called “bent” cascode differential amplifiers (DU) on npn and pnp transistors [1-35], which became the basis of more than 20 serial operational amplifiers manufactured as foreign (HA2520, NA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90 and etc.), and by Russian (154UD3, etc.) microelectronic companies. Due to the high popularity of such a remote control architecture, over 200 patents have been issued for their modification for leading manufacturers of microelectronic products. The present invention relates to this subclass of devices.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный дифференциальный усилитель (КДУ), описанный в патенте фирмы Motorola US №5327100, содержащий входной дифференциальный каскад 1, в общую эмиттерную цепь 2 которого включен источник опорного тока 3, выполненный на вспомогательном транзисторе 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых соединены и подключены к источнику напряжения смещения 7, причем эмиттер первого выходного транзистора 5 связан с первым выходом 8 входного дифференциального каскада 1 и через первый токостабилизирующий двухполюсник 9 соединен с шиной 10 первого источника питания, эмиттер второго 6 выходного транзистора связан со вторым 11 выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй токостабилизирующий двухполюсник 12 связан с шиной 10 первого источника питания, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с базой третьего выходного транзистора 13, эмиттер которого подключен к шине второго источника питания 14 и эмиттеру вспомогательного транзистора 4, а коллектор соединен с коллектором второго выходного транзистора 6 и выходом дифференциального усилителя 15.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a cascode differential amplifier (CDA), described in Motorola patent US No. 5327100, containing an input differential cascade 1, in the common emitter circuit 2 of which is included a reference current source 3 made on an auxiliary transistor 4, the first 5 and second 6 output transistors, the bases of which are connected and connected to a bias voltage source 7, and the emitter of the first output transistor 5 is connected to the first output 8 of the input differential stage 1 and through the first current the stabilizing two-terminal 9 is connected to the bus 10 of the first power source, the emitter of the second 6 output transistor is connected to the second 11 output of the input differential stage 1 and through the second current-stabilizing two-terminal 12 is connected to the bus 10 of the first power source, the collector of the first output transistor 5 is connected to the base of the third output transistor 13, the emitter of which is connected to the bus of the second power source 14 and the emitter of the auxiliary transistor 4, and the collector is connected to the collector of the second output transistor 6 and differential amplifier output 15.

Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он не обеспечивает изменение выходного тока в широком диапазоне входных сигналов. У всех известных КДУ выходной ток i_н ограничивается на некотором уровне I_н.max при входном сигнале, превышающем |u_вх|>50 мВ. Это не позволяет получить высокое быстродействие (в режиме большого сигнала) операционных усилителей и стабилизаторов напряжения, выполненных на его основе. Численные значения максимального выходного тока I_н.max в известных КДУ зависят от величины токов двухполюсников 9 и 12, что характерно для работы усилителей в режиме класса «А». Это фундаментальное ограничение КДУ является его существенным недостатком, который не устраняется в рамках типовых схемотехнических решений.A significant disadvantage of the known KDU (figure 1) is that it does not provide a change in the output current in a wide range of input signals. For all known CDDs, the output current i _{n is} limited at a certain level I _n.max with an input signal exceeding | u _in |> 50 mV. This does not allow to obtain high speed (in the mode of a large signal) of operational amplifiers and voltage stabilizers made on its basis. The numerical value of the maximum output current I in known _n.max DCD depend on the current two-terminal 9 and 12, which is characteristic for the amplifiers in class "A" mode. This fundamental limitation of KDU is its significant drawback, which is not eliminated in the framework of standard circuitry solutions.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы КДУ. При этом для одной из полярностей u_вх максимальный выходной ток КДУ I_н.max может в десятки раз превышать суммарный статический ток транзисторов схемы I₀, что характерно для усилителей класса АВ, где I₀ - ток, потребляемый КДУ от источника питания при u_вх=0.The main objective of the invention is to expand the range of active work of the CDA. Thus for one polarity u _Rin maximum output current I _n.max KDU may be ten times greater than the total static current transistor circuit I ₀ that is characteristic of a class AB amplifier, where I ₀ - current consumed from the power supply DCD when u _Rin = 0.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, в общую эмиттерную цепь 2 которого включен источник опорного тока 3, выполненный на вспомогательном транзисторе 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых соединены и подключены к источнику напряжения смещения 7, причем эмиттер первого выходного транзистора 5 связан с первым выходом 8 входного дифференциального каскада 1 и через первый токостабилизирующий двухполюсник 9 соединен с шиной 10 первого источника питания, эмиттер второго 6 выходного транзистора связан со вторым 11 выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй токостабилизирующий двухполюсник 12 связан с шиной 10 первого источника питания, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с базой третьего выходного транзистора 13, эмиттер которого подключен к шине второго источника питания 14 и эмиттеру вспомогательного транзистора 4, а коллектор соединен с коллектором второго выходного транзистора 6 и выходом дифференциального усилителя 15, предусмотрены новые связи - база вспомогательного транзистора 4 соединена с коллектором первого выходного транзистора 5 и базой третьего выходного транзистора 13.This goal is achieved by the fact that in the cascode differential amplifier, figure 1, containing the input differential stage 1, in the common emitter circuit 2 of which is included a reference current source 3, made on an auxiliary transistor 4, the first 5 and second 6 output transistors, the bases of which are connected and connected to a bias voltage source 7, the emitter of the first output transistor 5 connected to the first output 8 of the input differential stage 1 and through the first current-stabilizing two-terminal 9 connected to the bus 10 of the first of the power source, the emitter of the second 6 output transistor is connected to the second 11 output of the input differential stage 1 and through the second current-stabilizing two-terminal 12 is connected to the bus 10 of the first power source, the collector of the first output transistor 5 is connected to the base of the third output transistor 13, the emitter of which is connected to the bus of the second the power source 14 and the emitter of the auxiliary transistor 4, and the collector is connected to the collector of the second output transistor 6 and the output of the differential amplifier 15, new e communication - auxiliary base of transistor 4 is connected to the collector of the first output transistor 5 and the third base of the output transistor 13.

Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На чертеже фиг.3 представлена схема КДУ, фиг.2, в среде компьютерного моделирования PSpice, на чертеже фиг.4, фиг.5 - результаты моделирования КДУ фиг.3 - зависимости выходного тока от входного напряжения I_н=f(u_вх), полученные в разных масштабах. На чертеже фиг.6 показана схема стабилизатора отрицательного напряжения (С_н) на основе заявляемого КДУ, которая обеспечивает повышенное отношение максимального тока в нагрузке R_н→0 к току потребления С_н при R_н=∞.The amplifier circuit of the prototype is shown in the drawing of figure 1. The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims. The drawing of FIG. 3 is a diagram of the CDA, FIG. 2, in a computer simulation environment PSpice, in the drawing of FIG. 4, FIG. 5 is the simulation results of the CDA of FIG. 3 - the dependence of the output current on the input voltage I _n = f (u _in ) obtained at different scales. The drawing of Fig.6 shows a diagram of a negative voltage stabilizer (C _n ) based on the inventive KDU, which provides an increased ratio of the maximum current in the load R _n → 0 to the consumption current C _n at R _n = ∞.

Дифференциальный усилитель, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1, в общую эмиттерную цепь 2 которого включен источник опорного тока 3, выполненный на вспомогательном транзисторе 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых соединены и подключены к источнику напряжения смещения 7, причем эмиттер первого выходного транзистора 5 связан с первым выходом 8 входного дифференциального каскада 1 и через первый токостабилизирующий двухполюсник 9 соединен с шиной 10 первого источника питания, эмиттер второго 6 выходного транзистора связан со вторым 11 выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй токостабилизирующий двухполюсник 12 связан с шиной 10 первого источника питания, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с базой третьего выходного транзистора 13, эмиттер которого подключен к шине второго источника питания 14 и эмиттеру вспомогательного транзистора 4, а коллектор соединен с коллектором второго выходного транзистора 6 и выходом дифференциального усилителя 15. База вспомогательного транзистора 4 соединена с коллектором первого выходного транзистора 5 и базой третьего выходного транзистора 13.The differential amplifier, figure 2, contains an input differential stage 1, in the common emitter circuit 2 of which is included a reference current source 3 made on an auxiliary transistor 4, the first 5 and second 6 output transistors, the bases of which are connected and connected to a bias voltage source 7, moreover, the emitter of the first output transistor 5 is connected to the first output 8 of the input differential stage 1 and through the first current-stabilizing two-terminal 9 is connected to the bus 10 of the first power source, the emitter of the second 6 output transi the torus is connected to the second 11 output of the input differential stage 1 and through the second current-stabilizing two-terminal 12 connected to the bus 10 of the first power source, the collector of the first output transistor 5 is connected to the base of the third output transistor 13, the emitter of which is connected to the bus of the second power source 14 and the emitter of the auxiliary transistor 4, and the collector is connected to the collector of the second output transistor 6 and the output of the differential amplifier 15. The base of the auxiliary transistor 4 is connected to the collector of the first one transistor 5 and the third base of the output transistor 13.

В частных случаях (фиг.2) эмиттер транзистора 6 может быть связан через p-n переход 16 с источником напряжения смещения Е1, а площадь эмиттерного перехода транзистора 4 превышает площадь эмиттерного перехода транзистора 13.In special cases (Fig. 2), the emitter of transistor 6 can be connected via the pn junction 16 to a bias voltage source E1, and the area of the emitter junction of transistor 4 exceeds the area of the emitter junction of transistor 13.

Стабилизатор напряжения, фиг.6, содержит все элементы схемы фиг.2, а также имеет источник опорного напряжения 17 и регулирующий элемент 18. Его основное достоинство - повышенные значения максимального тока в нагрузке R_н при малом энергопотреблении в статическом режиме, а также высокое быстродействие, которое обеспечивается каскодной архитектурой в петле обратной связи.The voltage stabilizer, Fig.6, contains all the elements of the circuit of Fig.2, and also has a reference voltage source 17 and a regulating element 18. Its main advantage is increased values of the maximum current in the load R _n at low power consumption in static mode, as well as high speed which is provided by cascode architecture in a feedback loop.

В статическом режиме при запертом p-n переходе 16 в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токовые соотношения:In static mode, when the pn junction 16 is locked, the following current relationships are established in the circuit of FIG. 2:

где I₀ - заданное значение тока, определяющего режим транзисторов КДУ,where I ₀ - the set value of the current that determines the mode of transistors KDU,

β=β₁₃≈2β₄ - коэффициент усиления по току базы транзисторов 13 и 4.β = β ₁₃ ≈2β ₄ is the current gain of the base of transistors 13 and 4.

Рассмотрим далее работу схемы фиг.2 при отрицательном приращении напряжения на входе Вх.1 относительно входа Вх.2.Let us further consider the operation of the circuit of Fig. 2 with a negative voltage increment at the input Vx.1 relative to the input Vx.2.

При увеличении

начинает запираться левый транзистор входного каскада 1. Это приводит к увеличению тока I₁₁ и увеличению тока коллектора транзистора 5. Как следствие, благодаря отрицательной обратной связи практически все приращение

передается в общую эмиттерную цепь 2 каскада 1:With increasing

the left transistor of the input stage 1 starts to lock. This leads to an increase in the current I ₁₁ and an increase in the collector current of the transistor 5. As a result, due to the negative feedback, almost the entire increment

transferred to the common emitter circuit 2 of cascade 1:

Поэтому эмиттерный ток правого транзистора входного каскада 1 и коллекторный ток транзистора 4 увеличиваются пропорционально

Therefore, the emitter current of the right transistor of the input stage 1 and the collector current of the transistor 4 increase in proportion

где r_э - сопротивление эмиттерного перехода транзисторов входного каскада 1;where r _e is the resistance of the emitter junction of the transistors of the input stage 1;

R₀ - сопротивление токоограничивающего резистора R₀ в каскаде 1.R ₀ is the resistance of the current-limiting resistor R ₀ in cascade 1.

Учитывая, что эмиттерные p-n переходы транзисторов 4 и 13 включены параллельно, можно найти, что коллекторный ток транзистора 13

, равный току нагрузки

, также изменяется пропорционально

в широких пределах изменения u_вх Given that the emitter pn junctions of transistors 4 and 13 are connected in parallel, it can be found that the collector current of transistor 13

equal to the load current

also varies proportionally

a wide range of variation of u _Rin

При этом максимальное значение тока в нагрузке достигает величиныIn this case, the maximum current value in the load reaches

где β₁₃ - коэффициент усиления по току базы транзистора 13;where β ₁₃ is the current gain of the base of the transistor 13;

I₉ - статический ток двухполюсника 9.I ₉ - static current of a two-terminal 9.

В устройстве-прототипе максимальные значения тока нагрузки не могут превышать величину I_н.max=I₉=I₁₂=I₁₆.In the prototype device, the maximum values of the load current cannot exceed the value of I _n.max = I ₉ = I ₁₂ = I ₁₆ .

Таким образом, схема фиг.2 имеет (при прочих одинаковых параметрах) в 0,5β₁₃ раз более высокие токи в нагрузке (что характерно для каскадов класса АВ), а также может обеспечивать пропорциональность между током нагрузки и входным сигналом в широком диапазоне его изменения (10).Thus, the circuit of figure 2 has (with other identical parameters) 0.5β ₁₃ times higher currents in the load (which is typical for class AB cascades), and can also provide proportionality between the load current and the input signal in a wide range of its variation (10).

Эти теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования сравниваемых КДУ фиг.4, фиг.5, из которых следует, что максимальное значение тока в нагрузке при u_вх<0 более чем в 20 раз превышает статический ток выходных транзисторов 6 и 13.These theoretical conclusions are confirmed by the results of computer simulation of the compared CDDs of FIGS. 4, 5, from which it follows that the maximum value of the current in the load at u _in <0 is more than 20 times the static current of the output transistors 6 and 13.

Источники информацииInformation sources

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.1. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M.: Radio and Communications, 1989. - p. 74, fig. 4.15, p. 98, fig. 6.7.

2. Патент США №6218900, фиг.1.2. US Patent No. 6218900, figure 1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.3. Patent application US 2002/0196079.

4. Патент США №6788143.4. US patent No. 6788143.

5. Патент США №3644838, фиг.2.5. US patent No. 3444838, figure 2.

6. Патент США Re 30587.6. US patent Re 30587.

7. Патент ЕР 1227580.7. Patent EP 1227580.

8. Патент США №6714076.8. US patent No. 6714076.

9. Патент США №5786729.9. US patent No. 5786729.

10. Патент США №5327100.10. US Patent No. 5327100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.11. Patent application US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4274061.12. US patent No. 4274061.

13. Патент США №5422600, фиг.2.13. US patent No. 5422600, figure 2.

14. Патент США №6788143, фиг.2.14. US patent No. 6788143, figure 2.

15. Патент США №4959622, фиг.1.15. US patent No. 4959622, figure 1.

16. Патент США №4406990, фиг.4.16. US patent No. 4406990, figure 4.

17. Патент США №5418491.17. US patent No. 5418491.

18. Патент США №6018268.18. US patent No. 6018268.

19. Патент США №5952882.19. US Patent No. 5952882.

20. Патент США №4723111.20. US patent No. 4723111.

21. Патент США №4293824.21. US patent No. 4293824.

22. Патент США №6580325.22. US patent No. 6580325.

23. Патент США №6965266.23. US patent No. 6965266.

24. Патент США №6867643.24. US patent No. 6867643.

25. Патент США №6236270.25. US Patent No. 6236270.

26. Патент США №5323121.26. US patent No. 5323121.

27. Патент США №6229394.27. US patent No. 6229394.

28. Патент США №5734296.28. US patent No. 5734296.

29. Патент США №5477190.29. US patent No. 5477190.

30. Патент США №5091701.30. US patent No. 5091701.

31. Патент США №6717474.31. US patent No. 6717474.

32. Патент США №6084475.32. US patent No. 6084475.

33. Патент США №3733559.33. US patent No. 3733559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.34. Patent application US 2005/0001682 A1.

35. Патент США №6300831.35. US patent No. 6300831.

Claims

1. A cascode differential amplifier with an extended range of active operation, comprising an input differential stage, the common emitter circuit of which includes a reference current source made on an auxiliary transistor, first and second output transistors, the bases of which are connected and connected to a bias voltage source, the emitter of the first the output transistor is connected to the first output of the input differential stage and, through the first current-stabilizing two-terminal device, is connected to the bus of the first power source I, the emitter of the second output transistor is connected to the second output of the input differential stage and through the second current-stabilizing two-terminal connected to the bus of the first power source, the collector of the first output transistor is connected to the base of the third output transistor, the emitter of which is connected to the bus of the second power source and the emitter of the auxiliary transistor, and the collector is connected to the collector of the second output transistor and the output of the differential amplifier, characterized in that the base of the auxiliary trans the source is connected to the collector of the first output transistor and the base of the third output transistor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the area of the emitter junction of the auxiliary transistor exceeds the area of the emitter junction of the third output transistor.