Дифференциальный усилитель (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСН ВИДЕТЕЛЬСТВУ 32 58740/113.03.8130.09.83. БА.А. ДеминМосковскийЗнамени инже 21) 22) 46) юл,%3(72) (71) ного ститу (53) (56) Под ре ,с, 10 ордена Трудового Краснерно-физический инсхемы.1977,го т лект через тый Ной ъ, коллекст оров и четвер ицательричем базас базой тора и ного тока а питания,ъедине тра нзи третийны с отртания, исоединенатранзиспостоя нисточник тания, при этом и шестой транзи проводимости, о тем, что, с цел ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИ ЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 21.375.024 (088.8) . Аналоговые интегральньд, Дж. Коннели. М., "Мир(57) 1Дифференциальный усилитель, содержащий первый и второй транзисторы л -р-И -типа проводимости, базы которых являются входами дифференциального усилителя, коллекторы соответственно через первый и второй резисторы соединены с положительной шиной источника питания, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом эмиттеры третьего и четвертого, пятого и шесторанзисторов попарно объединены, колоры третьего и пятого транзисторовсоответствующие третий и четверрезисторы соединены с отрицатель шиной источника питания, причем база третьего транзистора соединена с базой и коллектором шестого транзистора и через первый источник постоянного тока с отрицательной шиной источника питания, а база пятого транзистора соединена с базой и коллектором четвертого транзистора и через второй источник постоянного тока с отрицательной шиной источника питретий, четвертый, пятый сторы имеют р-л -р тип т лича ющийсяью увеличения линейности характерстики коэффициента передачи, дцфферешапьного усипцселя, в него введенъседькой, восьмой, левятъ 1 й ц десятый транзисторы и пятый ц шестой резисторы, причем эмцттеры седьмого и . восьмого транзисторов через соответствующие пятый ц шестой резисторы подключены к змиттерам первого ц второго транзисторов и -р- и-типа цроводюости, база седьмого транзцстора соедццеца с коллектором восьмого транзистора ц эмцттером десятого транзистора, база и коллектор которого объединены ц подключенык эмиттеру пятого транзистора, а база восьмого транзистора соединена с коллектором седьмого транзистора ц эмиттером Я девятого транзистора, база ц коллектор которого объединены ц подключены к эмиттеру третьего транзистора, при этом седьмой, восьмой, девятый ц десятый транзисторы имеют р-р-тип проводимости.2. Дифференциальный усилитель, содержащий первый и второй транзцсторь И -р- И -типа проводимости, базь которых являются входами дифференциального усилителя, коллекторы соответственно через первый и второй резисторы соединены с положительной шиной источника питания, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом эмиттеры третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов попарно об торы третьего и пятого через соответствующие тый резисторы соедине ной шиной источника пи третьего транзистора и коллектором шестого через первый источник с Отрицательной шиной10а база пятого транзистора соединена с базой и коллектором четвертого транзистора и через второй источник постоянного тока с отрицатепьной шиной источника питания, при этом третий, четвер,л тый, пятый и шестой транзисторы имеют р.И р-тип проводимости, о т п и ч а ю - щ и й с я тем, что, с цепью увепичения линейности характеристики коэффициента передачи дифференциального усипитепя, в него введены седьмой, восьмой, девятый и десятый транзисторы и пятый и шестой резисторы, причем амиттеры седьмого и восьмого транзисторов через соотввтст вующие пятый и шестой резисторы под 45 М 0кпючены к эмиттерам третьего и пятого траюнсторов, база седьмого транзистора соединена с коппектором восьмого транзистора и эмиттером десятого траюистора, база и коппектор которого обьедиивны и подключены к амиттеру второго транзистора и -р-и -типа проводимости, а база восьмого транзистора соединена с хоппектором седьмого транзистора и амиттером девятого траизистора, база и коллектор которого объединены и подключены к эмиттеру первого транзистора и -р- и -типа проводимости, при атом седьмой, восьмой, девятый и десятый транзисторы имеют р -р-И -тип проводимости.1Изобретение относится к усипитепям на эпектронных и полупроводниковых приборах, в частности к диференциапьным усипителям, и предназначено дпя испопьзования в радиотехнических и эпвктрон ных устройствах разпичного назначения в частности в интегральных схемах операционных и широкопопосных усипитепвй, бапансны х модуцяторов, перемножитепей, с высокой пинейностью и мапой потребпяемой мощностью, усипитепях мощности звуковых частот с мапыми переходными интермодупяционными ( динамическими) искажениями, акономичных и высокопинейны х опреобразовате пях напряжениеток, 1 5 напряжение-свет и других устройствах с повышенными требованиями по пинейности при жестких ограничениях на потребпяемую мощность.Известен дифференциапьный усипитепь, 20 содержащий первый и второй транзисторы и -р- и-типа проводимости, базы которых являются входами дифференциапьного усипитепя коппвкторы соответственно через первый и второй резисторы соединены с 25 попожитвпьной шиной источника питания, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом амиттеры: третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов попарно объединены, коппвк-ЗО торы третьего и, пятого транзисторов чв рвэ соответствующие третий и четвертый резисторы соединены с отрицательной шиной источника питания, причем база третьего транзистора соединена с базой 35 и коппвктором шестого транзистора и чв 2рез первый источник постоянного тока с отрицатепьной шиной источника питания, а также база пятого транзистора соединена с базой и коллектором четвертого транзистора и через второй источник по стоянного тока с отрицатепьной шиной источника питания, при этом третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы имеют р-И -тип проводимости Г 1.При увепичении входного напряжения в данном дифференциапьном усипитепв дифференциапьный выходной ток возрастает в соответствии со спедующим выражением где 1 В,х- диффвренциааьный выходной ток дифференциапьного усипитвпя;О ах - входное напряжение;1 о - ,ивпичина постоянного тока,задаваемого каждым из источников постоянного тока;9 - тепповой потвнциап.Указанйый усипитепь проявляет значитепьную непинейность передаточной характеристики во всем динамическом диапазоне изменения выходных дифференциапьных токов, создавая непинейные искажения попвзного сигнапа, .особенно бопьшив при многократном превышении выходным дифференциапьным током тока покоя усипитепя. Так, при Ов= 4 У. ( 100 мВ при комнатной температуре) пинейный закон предписывает дифференциальному ."ВЫХ ,ц лиц о Хр, (так как 5115 "- х ), т.е. ток покои 15 зво- ного усцпитепя. Однако в соответствии с выражением (1) он выдает в этом случае спедуюшцй вы ходной диффереПииапьнь 1 й ток 504 ч,- ъ ььх ЛиФ с Ч, 2 о 511 =А(41 о), что на 80% Откпоняется от пинейного закона, Еспи выходной дифЛеренциапьный ток дифференциапьного усипитепя многократно превышает его ток покоя, то искажения оцениваются сотнями и тясячал 5 ц процентов (к тому же, как видно из выражения (1), передаточная характерцст цка усипитепя зависцт от температуры). 2 ОЦепь изобретения - увепичение ццнейности характеристики коэффициента пер дачи дифференциального усипитепя во всем динамическом диапазоне изменения выходных дифференццепь 5 ых токов, ь том 25 чиспе при многократном превышении последними токов покоя дифференциапьного усипитепя.Поставпе;нея цепь по первому варианту постигается тем, что в ди 4 ференц 5 е 5 ный усипитепь введены седьмой, восьмой, девятый и десятый транзисторы и пятый и шестой резисторы, причем эмиттеры седьмого и восьмого транзисторов через соответствуюшие пятый и шестой резисто 35 ры подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов И -р- И-типа проводимости, база седьмого транзисторе соединена с коппектором восьмого транзистора и эмиттером десятого транзисторе,база и коллектор которого обьединены ц подкпючены к эмиттеру пятого транзистора, а база восьмого транзистора соединена с коппектором седьмого транзистора и эмиттером девятого транзистора,база и коппектор которого объединены и подключены к эмиттеру третьего транзистора, при этом седьмой, восьмой, девятый и десятый транзисторы имеют р-у -р-тип проводимости.50Поставпенная цепь по второму варианту достигае"ся тем что в дифференциальный усипитепь введены седьмой, вось- мой, девятый и десятый транзисторы и Пятый и шестой резисторы, причем амит- геры седьмого и восьмого транзисторов551через соответствуюшие пятый и шестой резисторы подключены к эмиттерам третьего и пятого транзисторов, база.,л го 1 хф ц 11 та соепиненв с коп 1 ЕХТОРОМ 1 ЧЯ ТРанЗЦСТОРа И ЗМИттЕрол 1 десятОГс трайхцстора база и кс 5 п 1 с к 1 ср к т 11 цс т,спцела и подключе 1 кт 1 О 1 у вто 1 ГО тра нз цстора1 -р-тиа проводилОсти, а база вось 1 Г1 ааистам р 1 следи 1 ена с коппектором с,;лО 1 т транзистора ц эмцттеромдея 1.го т 1 азцсчсра, базе ц коп 5 екторкотоО 1 О гиъедцля ин чоак пюОи кэмиттеру первого тр 11 дцстора 51 -р-типа провопцл 1 остц, и и этом седьмой,цс,ОЙ, ПР 5 я 11 Й и десяты Й транзисторы11 меОГ 1 -1-11 -тип п 1 ОРОдцл 1 ости,11 а ф 1 п, 1 представпеГа прцнпипцапьная-;1 ектршОска" 5 хеле п 1 тедцагаелОГО дцффере 1 Пач,1 О 1 т ус ц 1 цтечя по пергому варианту 1 а Фие 2 то же по ВтО 1 Омуара цту,Дцференпцапьц Й усцпцте;1, (первыйц второй верцанть) сопе 155 П 1 с первогопо песты 1 т 1 е 5 зцсторь 1 1-101 пе 1.151,1 Йв 1 орой цсточппсц 11 и 12 пхстояицоготока, 51 орв 1 й, второй, тр тц 1, че 1 цертый,пятый ц шестой резистор. 1 3-18, а также источник 10 входи Го 1 ап 1 яже 1 ця,Дцференпиа;1 ьы 1 у Гцхс 1, по 51 с 1 гол 1 уварианту (фцг, 1) работаох с 1 едунян 1 собразом.Прц 01 Гу 1 стци 5 хОд 1 ОГО сицаца Рдцфс 5 О 1 с 1 ьцап.11 ОЛ 1сц Пто;е протекаютс-едуошие режцмш е т 1 кя: каждый цзцс зэ 111 КОВ 1 1 и 1 2 пос051111 ОГО токазадает постояш 1 ый ток ., в трекз 1 п торах 3-6 и резисторах 17 ц 1 8 - токв каждом, в транзистора;,и 2 и 7-10,резисторах 13-16 - ток О зв каждом. 11 ходно сигнац от истоцика 10 входного напряжения подается между базами первого ц второго транзисторов 1 и 2, вызявая протекание в усцпцтепе таких токов, что разность токов, теку 1 цих через копцекторы пер,ОГО55 то 1 хГО транзисторог 1 ц 2 (5 и 3 соответственно), пццэйно зависит от входного напряжения О(в прибпижении бесконечно мапых токов баз транзисторов) в соответствии со спедующим выражениел 1- О: - о (4) где Р - сопротивпение каждого из идентичных пятого и шестого резисторов 13 и 14, т.е. усипитепь работает как пинейный дифференциальный усипитепь-преобразоватепь проводимости с крутизной, опредепяемой только эмиттерными резисторами, причем пинейность усиления сохраняется также в диапазоне выходных дифференциельных токов, многократво превышающих режимный ток усилителя. Две равных амиттерных резистора 13 и 14 нв явля, ются линееризирукяцими е служат 1 тишь для фиксации заданной величины крутизны усилителя. Дифференциальный усилитель . имеет принципиально одноканальную струк уруНиже следует доказательство вьлрежения (4).10Будем пользоваться следующей моделью биполярного транзистора, работающего в активной области (которая справедлива в алелеаоие 4-5 порядков изменения коллекторного тока для типичного интегрального 15 транзисторе)691 тэ 5 гпе 11Э- ток коллектора транзисторе;- ток амиттере транзистора;- коэффициент усилении тока базытреюисторе;3 - обратный ток насыщения амиттарного перехода;О - напряжение не участке базаамиттер транзистора;- тепловой потенциал.Далее уравнение (6) используется в . 30 следующем виде 1 э кэбэ Кек и в известном дифференциальном З 5усилителе, подсхема, содержащая третий,четвертый, пятый и шестой транзисторыо3-6 и первый и второй источники 11 и1 2 постоянного тока, обеспечивает способность устройства выдавать дифференциалиный выходной ток, многократно превышающий режимный. Уравнение Кирхгофадля контура, содержащего амиттерныепвреходь 1 третьего, четвертого, пятого ишестого транзисторов 3-6 соответственно 45при условии, что ети транзисторы хорошосогласованы между собой, т.е. обратныетоки насыщения их амиттврных переходовравны между собой и равны - , дает(э 6 ЯРщ -М 1 и - +1 1 т - -М., 1 и -1 т 8 и =О,1 лир л 1 чР 16 Р где индексы у.собтветствуют номерутранзистора на фиг. 1.СокРащение в выражении (8),У,- и ы 5выполнение сложения приводит к134в 6 (9)1,.1 э или проще1 ээ 1 ээ=1 ээТоки в четвертый и шестой транзисторы 4 и 6 задаются двумя идентичнымиисточниками 11 и 12 постоянного тока каждый из которых выдает ток -", т,е.1 Э 4 1 Э 6 1 оТогде ( 10) можно за писать какээ 1 э (11) (Ни,.)ээ, ни 3 не ограничены величиной режимного тока, любой из них может многократно превышать кек ток .".,так и режимный ток 4 Эо )Запишем уравнение Кирхгофа для контуре, содержащего соответственно источник 19 входного напряжения О х, амиттерный переход первого транзистора 1, резистор 1 3, амиттерные переходы транзисторов 7, 10, 6, 3, 9 и 8, резистор 14 и амиттерный переход второго гран зистора 2, если- обратный ток насыщения амиттерных переходов третьего и шестого транзисторов 3 и 6; рг обратный ток насыщения амиттерных переходов девятого и десятого транзисторов 9 и 1 0 в диодном включении; Эобратный ток насыщения амиттерйых переходов седьмого и восьмого транзисторов; Э - обратный ток насыщения амиттерных переходов впервого и второго транзисторов 1 и 2; К - сопротивление каждого из резисторов 13 и 14 Ов "-Ч-,1 и - +1 э 1(+Ч Ви 1 э+у ,Ъо +1 элээ 1 чРЗ 1 ЯР 1 +ЧТ 1 И . - -9.Рд -лр р Ж, л эВ1 э в 1 ээр 1 Р т 1 эрг " " 1,ри) е1 эгт 1э Эг+и9 и 1 эг 1 ээ 1 э 91 эв(12) Учитывая, что по законам Кирхгофа ипри принятых допущениях (5) и (6)справед пивоэ Э 1 1 Э 9 1 ЭЪ о( 13)э 2. Э 8 ало Э 1 о(14)1 Эь=1 о ( 15)Выражение (12) можно записать ввидеО( 1, - ) Ч, и, , ( 1(ээ 1.)1.1 эв+1 о )19Но так как согласно (11)(25)виде (26) о записать 1 -1 Ьх (28 того транзисторо и третьего транпервом вариан им и четвертым то второе спагйемое В (4Х 1 К 2, Р, ЬХ(20)что совпадает с (4). Доказатепьствовыражения (4) завершено.Так как коплекторные токи третьегои пятого транзисторов 3 и 5 отпичаютсяот колпекторных токов соответственнопервого и второго транзисторов 1 и 2 навепичину постоянного тока .Ээ каждый,то разность между ними также равнаи поэтому коппекторы третьегои пятого транзисторов 3 и 5 спужатвторым дифференциапьным выходом усипитепя, т.е.1кь- )к 5 Р,ОМ (21)Как показывает анапиз, коппекторыпервого и пятого транзисторов 1 и 5, атакже второго и третьего транзисторов2 и 3 могут служить третьим и четвертым дифференциапьными выходами дифференциапьного усипитепя, однако на такихвыходах имеется смещение по постоянствутока равное Эс,Поскопьку уравнения (4) - (21) вер 35ны в диапазоне токов, как меньших режимного, так и много бопьших режимного,то усипитепь имеет значительно увепиченную пинейность в диапазоне выходных:дифференциапьных токов, многократно пре вышающих ток покоя. Достижение пинейности передаточной характеристики в диапазоне выходных дифференциальных токов,в том чиспе и многократно превышающихрежимный, попучено в дифференциапьном 4усипитепе не путем пинеаризации известного усипитепя эмиттерными резисторами(что ухудшипо бы его усипитепьные ишумовые свойства, так как усипитепь работает при малых режимных токах и собственная крутизна составляющих транзисторов слишком мапа), а путем вкшо-чения в схему известного усипитепя конфигурации, содержащей транзисторы 7-10(совместно с резисторами 13 и 14).Дифференциальный усипитепь по вторсму варианту (фиг. 2) работает анапогжно первому. Режимные токи во второмварианте такие же как и в первом варианте. Уравнение (11) так же справедпиво аля второго варианта. Уравнение дпя 0, , анапогичное уравнению (12), попу чается спеауккцим образом.Запишем уравнение Кирхгофа дпя контура, содержащего соответствещю источник 19 входного напряжения Мех эмиттерные переходы первого, девятого и восьмого транзисторов 1, 9 и 8, шестой резистор 14, эмиттерные переходы шестого и третьего транзисторов 6 и 3, пятый резистор 13 и эмиттерные переходы седьмого, аесятого и второго транзисторов 7, 10 и 2, еспи Ъ- обратный ток насыщения эмиттерных перехоаов третьего и шестого транзисторов 3 и 6; Г, - обратный ток насыщения эмиттерны х переходов девятого и десятого транзисторов 9 и 10; п, - обратный ток насыщения эмиттерны х переходов седьмого и восьмого транзисторов 7 и 8; Э обратный ток насыщения эмиттерных9 переходов первого и второго транзисторов 1 и 2; К - сопротивление каждого из резисторов 13 и 14; О = ь - +ц,еи - +м,еи - -+) ) ,.еиУчитывая, что по законампри принятых допущениях ( правеа пиво)+)о) ),О=О-) )+Ч,Еиэъ( эб+)о)Второе слагаемое в (26) совпадает с вторым слагаемым в (16) и, как пока зывают (17) и (18), равно нупю. Соображейия, анапогичные приведенным апя первого варианта, даютдифферешгиадьцыми выходалги дифферегдцт а пьнот о усидитепя, Такие вы ходы также имеют смещение по постоянному току равноеэ;Таким образом, второй вариант предпагаемого дифференциадьного усидитепя также работает как линейный дифференциапьный усидитепь-преобразоватепь проводимости с крутизной равной 1 Р, прифгем пинейность усипения сохраняетсяйтакже в диапазоне выходных дифферецциадьньгх токов, многократно превыгэгаклцих режимньгй ток усидитепя, Пятый и шестой резисторы 13 и 14 также н являются пицеаризируюцгими, а дишь фцксиру кт крутизну усиления. Второй вариант гахжг имеет принципиапьно одцоханадьцчэ с г 1 утгту 1 эу. эа варианта тредгтагаемого дифферен 20 гггэгьц го усидитедя рецэают одну и ту же эадачу - пицеаризацию усипитепя во всем диьамическом диапазоне изменения вь ходцьгх дифференциапьных токов принципиапьно одним путем - соответствую щим вхдгпчением конфигурации из четырех: седьмого, восьмого, девятого и десятого согдасоваггцых транзисторов и двух согпасованных резисторов (фиг. 1 и 2).Однако первый вариант (фиг, 1) реа дизовац в основном на транзисторах одного типа проводимости (пишь транзис торы 1 и 2 противопопожного типа проводимости). Кроме того, диапазон рабочих входньгх напряжений во втором варианте (фиг. 2) ограничен нескопькими десятыми вопьта вспедствие возможности возникновения насыщения транзисторов 7 и 8. Б первом варианте такого огранисения по входному напряжению Нет. Другое отдгцггсэ вд 1 иа;в ат рэгггггадьцого усцпитепя состгт в тэ,г, то,так ках в гт 1)авых а,т я хгэ ггггй ( 2 )и (21) ц уравценцй (7) ц ( .й) разныелггаки, то опицаковьгй вход чей сцгиа д гг+вертцруется одцилг варатом ц у цдиваегся без инверсии в другом три прочихравных усдовиях,11 рцведеццые выражеггця ( 1) - (28),исподьзунэтгггде ацадиз, гт 1 цеб 1 э ающцйтоками баз транзисторов, ггказывают,что предпагаемьге варггагттгь дггфференцтгадьного усидитепя имеют це ог 1 эачцчеццуюничем пццейную характерцг;тцху усигсения, в том чис.пе и в диапазоне выходныхдифференциадьных токов, многократнопревьшающих режимный ток ус.идитепя(нахпон которой, к тому же, це зависитот температуры). Однако пицейность преддагаемых вариантов дифферецциа пьногоусипитедя нарушается зффектамц второгопорядка - конечными токами без трацзисторов, а также рассогпасованием транзисторов и тепповыми градиентами, Эффектывторого порядка приводят к тому, то диапазон динейной работы предпагаемых усидитепей при мапом уровне нептгцейггцгх искажений (порядка нескопьких процентов)на практике ограничен выходными дифференциапьными токами, на один-два порядкапревышающими режимный ток усидитепя,Предпагаемые варианты дифференциадьного усидитепя существенно отличаютсяот известных, так как при выходных дифференциапьных токах, бопее чем на порядок превышающих режимный ток усидитепя,непинейные искажения в усипитепе остаются небопьшими. Уведичение пинейностидифференциапьного усидитедя значитедьнорасширяет обпасть его применения.итепь И. Водяхина .Костик Коррек та Гяско Заказ 7572 Тираж 936ПИ Государственного кдепам изобретений и35, Москва, Ж, Р дпис кое ВН д. 4 пиап ППП Патент", г. Ужгоро Проектная,Редактор М. Рачкупине тета СССкрыт ийскан наб