RU2390912C2 - Cascode differential amplifier - Google Patents
Cascode differential amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2390912C2 RU2390912C2 RU2008113266/09A RU2008113266A RU2390912C2 RU 2390912 C2 RU2390912 C2 RU 2390912C2 RU 2008113266/09 A RU2008113266/09 A RU 2008113266/09A RU 2008113266 A RU2008113266 A RU 2008113266A RU 2390912 C2 RU2390912 C2 RU 2390912C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- transistors
- bases
- differential amplifier
- current
- 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 ВЧ и СВЧ аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ)).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying RF and microwave analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps)).
В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются так называемые комплементарные каскодные дифференциальные усилители на n-p-n и p-n-p транзисторах с архитектурой операционного усилителя µА741 [1-30]. Их основное достоинство в сравнении с классическим дифференциальным каскадом - более широкий частотный диапазон, что делает их особенно привлекательными при построении аналоговых устройств СВЧ-диапазона.In modern analog microelectronics, the so-called complementary cascode differential amplifiers based on n-p-n and p-n-p transistors with the architecture of the operational amplifier µА741 are widely used [1-30]. Their main advantage in comparison with the classical differential cascade is a wider frequency range, which makes them especially attractive when building analog microwave devices.
В рамках собственных программ развития ряд ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, начинают использовать технологическое оборудование для 0,25 мкм SiGe-технологии SGB25VD, способное в рамках единого цикла изготовить высококачественные гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы Х диапазона, а также использовать экономичные режимы для СВЧ интегральных схем относительно высокого уровня интеграции. Однако технология SGB25VD накладывает дополнительные и существенные для схемотехники аналоговых микросхем ограничения, выражающиеся в невозможности использования комплементарных транзисторов и относительно низковольтных режимов их работы (Uкэ.max = 2,9 В или напряжение двуполярного питания ±1,5 В). Создание IP блоков для SiGe технологии SGB25VD является (наряду с ее освоением) важнейшей задачей для зарубежных и отечественных центров проектирования аналоговых микросхем. Предлагаемое изобретение относится к данному направлению развития микроэлектроники.Within its development programs, a number of leading microelectronic companies, including Russian, begin to use technological equipment for 0.25 microns SiGe-technology SGB25VD, capable of producing high-quality heterojunctions within a single cycle. This allows you to implement submicron transistors of the X range, as well as use the economical modes for microwave integrated circuits with a relatively high level of integration. However, the SGB25VD technology imposes additional and significant limitations for analog microcircuitry, expressed in the impossibility of using complementary transistors and relatively low-voltage modes of operation (U ke.max = 2.9 V or bipolar power supply ± 1.5 V). Creating IP blocks for SiGe SGB25VD technology is (along with its development) the most important task for foreign and domestic centers for the design of analog microcircuits. The present invention relates to this direction of development of microelectronics.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является КДУ, описанный в патенте США №5521552, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными базами (затворами), эмиттеры (истоки) которых подключены к соответствующим первому 3 и второму 4 входам каскодного дифференциального усилителя, а коллекторы - соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов и через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой шиной 9 источника питания, третий выходной транзистор 10, база которого связана с коллектором первого выходного транзистора 5 и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, эмиттер - подключен к объединенным базам первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем коллектор второго выходного транзистора 6 связан с выходом 12 каскодного дифференциального усилителя, а второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 связан со второй 9* шиной источника питания.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a CDA described in US patent No. 5521552, containing the first 1 and second 2 input transistors with combined bases (gates), emitters (sources) of which are connected to the corresponding first 3 and second 4 inputs of the cascode differential amplifier, and the collectors are connected to the emitters of the first 5 and second 6 output transistors and through the first 7 and second 8 current-stabilizing two-terminal devices are connected to the
Существенный недостаток известного КДУ состоит в том, что он имеет повышенное токопотребление, что обусловлено наличием в его архитектуре (фиг.1) потребляющей некоторый ток I0 цепи установления статического режима, которая непосредственно не участвует в усилении входного сигнала. Исключение этой цепи позволит уменьшить (при прочих равных условиях) энергопотребление КДУ.A significant drawback of the known KDU is that it has an increased current consumption, which is due to the presence in its architecture (Fig. 1) of a static-mode-setting circuit consuming some current I 0 , which is not directly involved in amplifying the input signal. The exclusion of this circuit will reduce (ceteris paribus) the power consumption of the control panel.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении потребляемого от источников питания статического тока.The main objective of the invention is to reduce the consumption of static current from power supplies.
Поставленная задача достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными базами (затворами), эмиттеры (истоки) которых подключены к соответствующим первому 3 и второму 4 входам каскодного дифференциального усилителя, а коллекторы - соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов и через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой шиной 9 источника питания, третий выходной транзистор 10, база которого связана с коллектором первого выходного транзистора 5 и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, эмиттер - подключен к объединенным базам первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем коллектор второго выходного транзистора 6 связан с выходом 12 каскодного дифференциального усилителя, а второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 связан со второй 9* шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - базы (затворы) первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов.This object is achieved in that in the cascode differential amplifier of figure 1, containing the first 1 and second 2 input transistors with combined bases (gates), emitters (sources) of which are connected to the corresponding first 3 and second 4 inputs of the cascode differential amplifier, and the collectors connected to the emitters of the first 5 and second 6 output transistors and through the first 7 and second 8 current-stabilizing two-pole connected to the
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 формулы изобретения.The amplifier circuit of the prototype is presented in figure 1. Figure 2 shows the inventive device in accordance with
На фиг.3 показана схема заявляемого КДУ в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения.Figure 3 shows a diagram of the inventive KDU in accordance with
На фиг.4 представлена схема КДУ, соответствующая фиг.3 (без двухполюсника 13) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - ее амплитудно-частотная характеристика при «идеальных» двухполюсниках 7, 8 и нагрузке (I5).In Fig. 4, a diagram of the CDD corresponding to Fig. 3 (without a two-terminal 13) in the computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of the Federal State Unitary Enterprise NPP Pulsar is presented, and in Fig. 5 its amplitude-frequency characteristic with "ideal" two-
Схема фиг.6 в среде PSpice соответствует фиг.3 (без цепи согласования 14) в среде PSpice, а результаты ее моделирования коэффициента усиления изображены на фиг.7.The diagram of FIG. 6 in the PSpice environment corresponds to FIG. 3 (without matching circuit 14) in the PSpice environment, and the results of its simulation of the gain are shown in FIG. 7.
Схемы фиг.8 и фиг.9 полностью соответствуют фиг.3. Они представляют собой компьютерную модель КДУ в среде Cadance на моделях SiGe транзисторов.The diagrams of Fig. 8 and Fig. 9 fully correspond to Fig. 3. They are a computer model of a CDU in a Cadance environment on SiGe transistor models.
Результаты расчета зависимости коэффициента усиления Ку от частоты этих схем даны на фиг.10.The calculation results of the dependence of the gain K y on the frequency of these circuits are given in Fig.10.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными базами (затворами), эмиттеры (истоки) которых подключены к соответствующим первому 3 и второму 4 входам каскодного дифференциального усилителя, а коллекторы - соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов и через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой шиной 9 источника питания, третий выходной транзистор 10, база которого связана с коллектором первого выходного транзистора 5 и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, эмиттер - подключен к объединенным базам первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем коллектор второго выходного транзистора 6 связан с выходом 12 каскодного дифференциального усилителя, а второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 связан со второй 9* шиной источника питания. Базы (затворы) первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов.The cascode differential amplifier of figure 2 contains the first 1 and second 2 input transistors with combined bases (gates), emitters (sources) of which are connected to the corresponding first 3 and second 4 inputs of the cascode differential amplifier, and the collectors are connected to the emitters of the first 5 and second 6 output transistors and through the first 7 and second 8 current-stabilizing two-pole connected to the
На фиг.3, соответствующей п.2 формулы изобретения, в схему введен третий 13 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к базам (затворам) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, которые соединены с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов через цепь согласования потенциалов 14.In figure 3, corresponding to
Кроме этого на фиг.3, соответствующей п.3 формулы изобретения, между дифференциальным источником входного сигнала и первым 3, а также вторым 4 входами каскодного дифференциального усилителя включены первый 15 и второй 16 эмиттерные (истоковые) повторители напряжения.In addition, in figure 3, corresponding to
Рассмотрим работу схемы фиг.2 (фиг.3).Consider the operation of the circuit of figure 2 (figure 3).
В статическом режиме через источник входного дифференциального сигнала uc1 и uc2 протекают токи истока транзисторов 1 и 2, численные значения которых устанавливаются первым 7 и вторым 8 токостабилизирующими двухполюсниками, а также вспомогательным двухполюсником 11:In static mode, the source currents of the differential signal u c1 and u c2 flow source currents of
где Ii - статические токи двухполюсников 7, 8 и 11;where I i are the static currents of the two-
Iэ6 - ток эмиттера транзистора 6.I e6 is the emitter current of the
Ток эмиттера транзистора 10 устанавливается в схеме фиг.3 третьим токостабилизирующим двухполюсником 13 (Iэ10=I13). В цепи нагрузки КДУ (резистор или источник опорного тока), которая подключается к выходу 12 КДУ, протекает ток коллектора транзистора 6 Iк6. Потенциал затворов транзисторов 1 и 2 (uз12) (в соответствии с п.1 формулы изобретения) устанавливается как потенциал баз транзисторов 5 и 6.The emitter current of the
Изменение синфазной составляющей входных напряжений uc=(uc1+uc2)/2 приводит к такому же изменению напряжений на базах транзисторов 5, 6 и 10, так как токи I4 и I3 в соответствии с (1) и (2) не изменяются. Таким образом, схема фиг.2 имеет высокое ослабление синфазных сигналов.A change in the common-mode component of the input voltages u c = (u c1 + u c2 ) / 2 leads to the same change in the voltages at the bases of
Если между входами 3 и 4 подается дифференциальное напряжение uвх=uс1-uс2, то это создает приращение тока i3, которое определяется крутизной S1 входного полевого транзистора 1:If a differential voltage u in = u c1 -u c2 is applied between
Ток i1 поступает в цепь эмиттера транзистора 6, и далее на выход 12 в цепь нагрузки КДУ. Таким образом, вход 3 является неинвертирующим входом КДУ.The current i 1 enters the emitter circuit of the
Следует заметить, что изменение uвх не приводит к изменению тока истока транзистора 2, что вытекает из уравнения (1). Таким образом, по данному входу 4 КДУ всегда имеет высокое входное сопротивление.It should be noted that a change in u I does not lead to a change in the source current of the
За счет «двойной каскодной архитектуры» (транзистор 1 и транзистор 6) предлагаемая схема обладает предельным значением верхней граничной частоты и может применяться в СВЧ-диапазоне в рамках техпроцесса SGVD25 IHP (Германия).Due to the "double cascode architecture" (
Первая особенность схемы фиг.3 состоит в том, что потенциал затвора транзисторов 1 и 2 здесь смещен к шине отрицательного источника питания 9 на величину напряжения на двухполюснике 14. Это уменьшает статическое напряжение между затворами транзисторов 1, 2 и базами транзисторов 5 и 6, расширяет динамический диапазон усиливаемых сигналов.The first feature of the circuit of Fig. 3 is that the gate potential of the
Вторая особенность схемы фиг.3 - наличие (в соответствии с п.3 формулы изобретения) эмиттерных повторителей 15 и 16, которые уменьшают входные токи КДУ фиг.3 и повышают его входное сопротивление по неинвертирующему входу.The second feature of the circuit of figure 3 is the presence (in accordance with
Характерной особенностью схем заявляемого КДУ является отсутствие источника тока I0 (фиг.1), который ухудшает на 1÷2 мА (20÷25%) показатели известного КДУ (фиг.1) по токопотреблению, не принимает участие в обеспечении статического тока транзисторов, обеспечивающих усиление входного сигнала.A characteristic feature of the circuits of the claimed KDU is the absence of a current source I 0 (Fig. 1), which degrades by 1 ÷ 2 mA (20 ÷ 25%) the indicators of the known KDU (Fig. 1) for current consumption, does not take part in ensuring the static current of transistors, providing amplification of the input signal.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение позволяет использовать СВЧ SiGe-транзисторы техпроцесса SGB25VD с относительно низким напряжением питания 2,9 В в структуре не только различных аналоговых устройств, но и СФ блоков систем на кристалле. Этот важный результат расширяет область практического использования SGB25VD технологии и, следовательно, повышает технико-экономические показатели микроэлектронных изделий. Так, например, создание новой (под указанную технологию) схемотехники широкодиапазонных операционных усилителей позволит не только повысить качественные показатели СВЧ-фильтров, квадратурных модуляторов, демодуляторов и других устройств нового поколения, образующих СФ блоки СВЧ РЭА, но и создать новую номенклатуру ИС широкого функционального применения.Thus, the proposed circuitry solution allows the use of SGB25VD process SiGe microwave transistors with a relatively low 2.9 V supply voltage in the structure of not only various analog devices, but also SF blocks of systems on a chip. This important result expands the field of practical use of SGB25VD technology and, therefore, improves the technical and economic performance of microelectronic products. For example, the creation of a new (for the indicated technology) circuitry of wide-range operational amplifiers will allow not only to improve the quality of microwave filters, quadrature modulators, demodulators and other new generation devices that form microwave units of microwave REA, but also to create a new range of ICs of wide functional application .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патент США №3786362.1. US patent No. 3786362.
2. Патент США №4030044.2. US patent No. 4030044.
3. Патент США №4059808, фиг.5.3. US patent No. 4059808, Fig.5.
4. Патент США №4286227.4. US Patent No. 4,286,227.
5. Авт.свид. СССР №375754, H03F 3/38.5. Autosvid. USSR No. 375754, H03F 3/38.
6. Авт.свид. СССР №843164, H03F 3/30.6. Autosvid. USSR No. 843164, H03F 3/30.
7. Патент США №3660773.7. US Patent No. 3660773.
8. Патент США №4560948.8. US patent No. 4560948.
9. Патент РФ №2930041, H03F 1/32.9. RF patent No. 2930041,
10. Патент Японии №57-5364, H03F 3/343.10. Japanese Patent No. 57-5364,
11. Патент ЧССР №134845, кл.21a2 18/08.11. Czechoslovak Patent No. 134845, cl. 21a 2 18/08.
12. Патент ЧССР №134849, кл.21a2 18/08.12. Czechoslovak Patent No. 134849, cl. 21a 2 18/08.
13. Патент ЧССР №135326, кл.21а2 18/08.13. Patent of Czechoslovakia No. 135326, cl. 21a 2 18/08.
14. Патент США №4389579.14. US patent No. 4389579.
15. Патент Англии №1543361, Н3Т.15. England patent No. 1543361, H3T.
16. Патент США №5521552 (фиг.3а).16. US patent No. 5521552 (figa).
17. Патент США №4059808.17. US patent No. 4059808.
18. Патент США №5789949.18. US patent No. 5789949.
19. Патент США №4453134.19. US Patent No. 4,453,134.
20. Патент США №4760286.20. US patent No. 4760286.
21. Авт.свид. СССР №1283946.21. Autosvid. USSR No. 1283946.
22. Патент РФ №2019019.22. RF patent No.2019019.
23. Патент США №4389579.23. US patent No. 4389579.
24. Патент США №4453092.24. US patent No. 4453092.
25. Патент США №3566289.25. US patent No. 3566289.
26. Патент США №4059808 (фиг.2).26. US patent No. 4059808 (figure 2).
27. Патент США №3649926.27. US patent No. 3649926.
28. Патент США №4714894 (фиг.1).28. US patent No. 4714894 (figure 1).
29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.29. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M.: Radio and Communications, 1989.
30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.30. M. Herpy. Analog integrated circuits. - M.: Radio and Communications, 1983, p. 174, Fig. 5.52.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008113266/09A RU2390912C2 (en) | 2008-04-04 | 2008-04-04 | Cascode differential amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008113266/09A RU2390912C2 (en) | 2008-04-04 | 2008-04-04 | Cascode differential amplifier |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008113266A RU2008113266A (en) | 2009-10-10 |
RU2390912C2 true RU2390912C2 (en) | 2010-05-27 |
Family
ID=41260510
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008113266/09A RU2390912C2 (en) | 2008-04-04 | 2008-04-04 | Cascode differential amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2390912C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2572375C1 (en) * | 2014-11-06 | 2016-01-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Double-cascode amplifier with extended operating bandwidth |
RU2592455C1 (en) * | 2015-07-06 | 2016-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode |
-
2008
- 2008-04-04 RU RU2008113266/09A patent/RU2390912C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2572375C1 (en) * | 2014-11-06 | 2016-01-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Double-cascode amplifier with extended operating bandwidth |
RU2592455C1 (en) * | 2015-07-06 | 2016-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008113266A (en) | 2009-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2419197C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor as to voltage | |
CN101978600B (en) | Capacitance multiplier circuit | |
RU2364020C1 (en) | Differential amplifier with negative in-phase signal feedback | |
RU2390912C2 (en) | Cascode differential amplifier | |
CN102983853B (en) | A kind of simulation squaring circuit | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2396697C2 (en) | High-frequency differential amplifier | |
RU2413355C1 (en) | Differential amplifier with paraphase output | |
RU2374756C1 (en) | Multidifferential amplifer | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
CN104579315B (en) | The C class phase inverters of high-gain and output voltage swing wide are realized simultaneously | |
RU2365029C1 (en) | Cascode difference amplifier with low offset voltage | |
RU2319292C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2475941C1 (en) | Differential amplifier with complementary input cascade | |
RU2374757C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2446555C2 (en) | Differential operational amplifier | |
RU2394358C1 (en) | Low-voltage analogue voltage multiplier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2320078C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2309531C1 (en) | Differential amplifier with expanded range of cophased signal change | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2390911C2 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2402150C1 (en) | Current mirror with load circuit in form of cascade at transistor with common emitter | |
RU2319294C1 (en) | Cascade differential amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130405 |