Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием

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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.). Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ и коэффициента подавления помехи по питанию. Дифференциальный усилитель (ДУ) с низковольтным питанием содержит входной параллельно-балансный каскад (ПБК) (1) на n-p-n транзисторах (Т) (2) и (3), объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом токостабилизирующего двухполюсника (ТД) (4), ПБК (5) на p-n-p Т (6) и (7), объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом ТД (8), причем синфазные входы ПБК (1) и (5) объединены друг с другом и соединены со входами ДУ (9) и (10), выход (11) ПБК (1) связан со входом (12) токового зеркала (ТЗ) (13), согласованного с шиной положительного источника питания (ИП) (14), выход (15) ПБК (5) связан со входом (16) ТЗ (17), согласованного с шиной отрицательного ИП (18), коллекторный выход которого соединен с выходом ДУ (19) и коллекторным выходом ТЗ (13). В схему введены дополнительные ТЗ (20) и (21) на комплементарных Т, коллекторные выходы которых соединены с выходом ДУ, причем вход ТЗ (20) соединен со вторым выводом ТД (8), а вход второго ТЗ (21) соединен со вторым выводом ТД (4). 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе двух параллельно-включенных дифференциальных каскадов (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») и выходных каскадов, выполненных на повторителях тока. ДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных операционных усилителей [1-17], в т.ч. ОУ с опцией rail-to-rail (имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжению питания). Однако такие ДУ имеют недостаточно высокое ослабление синфазных сигналов и помех по питанию при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников пассивных элементов (резисторов), что отрицательно сказывается на точности аналоговых интерфейсов с их использованием. Это связано с тем, что для получения больших значений К_ос.сф необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующих резисторов на уровне сотен килоом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании (Е_П=1,5÷5 В).

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №5.291.149, содержащий первый входной параллельно-балансный каскад 1 на n-p-n транзисторах 2 и 3, объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника 4, второй входной параллельно-балансный каскад 5 на p-n-p транзисторах 6 и 7, объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом второго токостабилизирующего двухполюсника 8, причем синфазные входы первого 1 и второго 5 входных параллельно-балансных каскадов (базы транзисторов 6 и 2, 3 и 7) объединены друг с другом и соединены со входами дифференциального усилителя 9 и 10, выход 11 первого входного параллельно-балансного каскада 1 на n-p-n транзисторах связан со входом 12 первого токового зеркала 13, согласованного с шиной положительного источника питания 14, выход 15 второго входного параллельно-балансного каскада 5 на p-n-p транзисторах связан со входом 16 второго токового зеркала 17, согласованного с шиной отрицательного источника питания 18, коллекторный выход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 19 и коллекторным выходом первого токового зеркала 13.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов, а также помех по питанию. Прежде всего, данный недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников 4 и 8 резисторов или простейших источников тока на транзисторах с малым напряжением Эрли, которые при милиамперных токах имеют небольшое выходное сопротивление (порядка 30-60 КОм).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ (К_ос.сф) и коэффициента подавления помехи по питанию (К_пп) при относительно небольших внутренних сопротивлениях токостабилизирующих двухполюсников 4 и 8. При этом в заявляемом ДУ в качестве токостабилизирующих двухполюсников 4 и 8 при низковольтном питании могут применяться сравнительно низкоомные резисторы (единицы килоом). Тем не менее это несущественно сказывается на численных значениях К_ос.сф и К_пп.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый входной параллельно-балансный каскад 1 на n-p-n транзисторах 2 и 3, объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника 4, второй входной параллельно-балансный каскад 5 на p-n-p транзисторах 6 и 7, объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом второго токостабилизирующего двухполюсника 8, причем синфазные входы первого 1 и второго 5 входных параллельно-балансных каскадов объединены друг с другом и соединены со входами дифференциального усилителя 9 и 10, выход 11 первого входного параллельно-балансного каскада 1 на n-p-n транзисторах связан со входом 12 первого токового зеркала 13, согласованного с шиной положительного источника питания 14, выход 15 второго входного параллельно-балансного каскада 5 на p-n-p транзисторах связан со входом 16 второго токового зеркала 17, согласованного с шиной отрицательного источника питания 18, коллекторный выход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 19 и коллекторным выходом первого токового зеркала 13, предусмотрены новые элементы и связи - вводятся первое 20 и второе 21 дополнительные токовые зеркала на комплементарных транзисторах, коллекторные выходы которых соединены с выходом дифференциального усилителя, причем вход первого дополнительного токового зеркала 20 соединен со вторым входом второго токостабилизирующего двухполюсника 8, а вход второго дополнительного токового зеркала 21 соединен со вторым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника 4.

Схема заявляемого устройства показана на фиг.2. При этом в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициенты передачи по току первого 20 (K_i20) и второго 21 (K_i21) дополнительных токовых зеркал в данной схеме в два раза меньше, чем коэффициенты передачи по току первого 13 (К_i13) и второго 17 (К_i17) токовых зеркал. Этот режим обеспечивается соответствующим выбором площадей эмиттерных переходов транзисторов 23, 25, входящих в токовые зеркала 13 и 17.

На фиг.3 показан другой вариант построения ДУ фиг.2, у которого коэффициенты передачи дополнительных токовых зеркал 20 и 21 также в 2 раза меньше коэффициентов передачи токовых зеркал 13 и 17. Однако этот режим обеспечивается за счет параллельного включения во входной цепи данных токовых зеркал двух p-n переходов 26, 30 (28, 31).

Переменные токи и напряжения в заявляемом ДУ при воздействии на его входы 9 и 10 синфазного сигнала u_c1=u_c2=u_c показаны на фиг.3.

На фиг.4 изображена схема ДУ-прототипа фиг.1, которая исследовалась авторами в среде PSpice на степень ослабления входных синфазных сигналов u_c1=u_c2=u_c. Здесь же приведена частотная зависимость его коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф).

На фиг.5 показана схема заявляемого ДУ фиг.2 (при воздействии на его входы синфазного сигнала Uс) на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.6 показана другая модификация заявляемого ДУ - схема фиг.3 (при воздействии на его входы синфазного сигнала u_c) на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый входной параллельно-балансный каскад 1 на n-p-n транзисторах 2 и 3, объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника 4, второй входной параллельно-балансный каскад 5 на p-n-p транзисторах 6 и 7, объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом второго токостабилизирующего двухполюсника 8, причем синфазные входы первого 1 и второго 5 входных параллельно-балансных каскадов (базы транзисторов 6 и 2, 3 и 7) объединены друг с другом и соединены со входами дифференциального усилителя 9 и 10, выход 11 первого входного параллельно-балансного каскада 1 на n-p-n транзисторах связан со входом 12 первого токового зеркала 13, согласованного с шиной положительного источника питания 14, выход 15 второго входного параллельно-балансного каскада 5 на p-n-p транзисторах связан со входом 16 второго токового зеркала 17, согласованного с шиной отрицательного источника питания 18, коллекторный выход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 19 и коллекторным выходом первого токового зеркала 13. В схему введены первое 20 и второе 21 дополнительные токовые зеркала на комплементарных транзисторах, коллекторные выходы которых соединены с выходом дифференциального усилителя 19, причем вход первого дополнительного токового зеркала 20 соединен со вторым входом второго токостабилизирующего двухполюсника 8, а вход второго дополнительного токового зеркала 21 соединен со вторым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника 4.

Для реализации в практических схемах п.2 формулы изобретения - обеспечение условий, при которых коэффициенты передачи по току дополнительных токовых зеркал 20-21 в два раза меньше, чем коэффициент передачи по току первого 13 и второго 17 токовых зеркал, в схеме фиг.2 применяются транзисторы 23 и 25 с удвоенной площадью эмиттерных p-n переходов.

В другом частном случае (фиг.3) за счет параллельного включения во входной цепи двух p-n переходов 26, 30 и 28, 31 токовые зеркала 20 и 21 также имеют коэффициент передачи по току в 2 раза меньше, чем токовые зеркала 13 и 17.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ на примере анализа схемы фиг.3.

Изменение входного синфазного напряжения на входах ДУ 9 и 10 на величину u_c=u_c1=u_c2 приводит к изменению токов через двухполюсники 8 и 4:

где y₈, y₄ - проводимости двухполюсников 8 и 4.

Поэтому коллекторные токи транзисторов 7 и 3:

где K_6.7(K_2.3)≈0,5 - коэффициент деления тока i₈ (i₄) между эмиттерами транзисторов VT6, VT7 (VT2, VT3);

α₇≈1, α₃≈1 - коэффициенты передачи по току эмиттеров транзисторов VT7, VT3.

Коллекторные токи транзисторов 3 и 7 i_k3, i_k7 передаются через токовые зеркала 13 и 17 на выход ДУ 19 и создают две составляющие тока нагрузки i_н:

С другой стороны токи двухполюсников 8 (i₈) и 4 (i₄) поступают на входы дополнительных токовых зеркал 20 и 21 и также создают в нагрузке две другие составляющие тока i_н:

Причем направления этих токов противоположны направлению токов i₁₃ и i₁₇. Поэтому в выходном узле ДУ происходит попарная взаимная компенсация синфазных составляющих ошибки

С учетом (5) и (8) формулу (9) можно представить в виде

где - коэффициент неидентичности токовых зеркал 21 и 13. (11)

- коэффициент неидентичности токовых зеркал 20 и 17. (12)

Так как коэффициенты К_i20=0,5K_i17, К_2.3=0,5, K_i21=0,5K_i13, K_6.7=0,5, то из (10) следует, что в заявляемом ДУ существенно уменьшается эффект «прохождения» входного синфазного сигнала u_c на выход ДУ.

Так, в сравнении с прототипом фиг.1 коэффициент передачи u_c на выход ДУ уменьшается в А_с-раз, где

где - коэффициент передачи входного синфазного сигнала U_c ДУ-прототипа;

K_сф.з - коэффициент передачи входного синфазного сигнала заявляемого ДУ.

Аналогично можно показать, что по сравнению с прототипом, в схемах фиг.2 - фиг.3 уменьшается и коэффициент влияния нестабильности напряжения питания на э.д.с. смещения нуля (К_пп).

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых рассматриваемых схем в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва) (фиг.5, фиг.6) - заявляемый ДУ имеет более чем на порядок лучшие значения коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (24-27 дБ).

Литература

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.6.11.

2. Двухтактный операционный усилитель. Патент РФ №2193273, Н03f 3/45.

3. Дифференциальный усилитель. Патент США №4649352, кл. 330-261.

4. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979.

5. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с.

6. Патент США №5.291.149, Н03f 3/48 (прототип).

7. Патент США №6.268.769, Н03f 3/45 (фиг.3) (прототип 2).

8. Патент США №3.974.455, Н03f 3/45 (фиг.7, фиг.9).

9. Патент США №3.968.451, Н03f 3/45

10. Патент Японии 981(5)А332 №53-25232, Н03f 3/26

11. Патент США №4.783.637, Н03f 3/45

12. Патент США №4.146.845, кл. 330/225

13. Патент США №4.595.883, кл. 330/255

14. Патент США №4.636.743, кл. 330/295

15. Патент США №5.515.005, Н03f 3/45

16. Патент США №4.600.893, Н03f 3/45

17. Журнал «Радио» №1, 1980 г. стр.44, рис.2

1. Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием, содержащий первый входной параллельно-балансный каскад (1) на n-p-n транзисторах (2) и (3), объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника (4), второй входной параллельно-балансный каскад (5) на p-n-p транзисторах (6) и (7), объединенные эмиттеры которых соединены с первым выводом второго токостабилизирующего двухполюсника (8), причем синфазные входы первого (1) и второго (5) входных параллельно-балансных каскадов объединены друг с другом и соединены со входами дифференциального усилителя (9) и (10), выход (11) первого входного параллельно-балансного каскада (1) на n-p-n транзисторах связан со входом (12) первого токового зеркала (13), согласованного с шиной положительного источника питания (14), выход (15) второго входного параллельно-балансного каскада (5) на p-n-p транзисторах связан со входом (16) второго токового зеркала (17), согласованного с шиной отрицательного источника питания (18), коллекторный выход которого соединен с выходом дифференциального усилителя (19) и коллекторным выходом первого токового зеркала (13), отличающийся тем, что в схему введены первое (20) и второе (21) дополнительные токовые зеркала на разнотипных комплементарных транзисторах, коллекторные выходы которых соединены с выходом дифференциального усилителя, причем вход первого дополнительного токового зеркала (20) соединен со вторым выводом второго токостабилизирующего двухполюсника (8), а вход второго дополнительного токового зеркала (21) соединен со вторым выводом первого токостабилизирующего двухполюсника (4).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициенты передачи по току дополнительных токовых зеркал (20) и (21) в два раза меньше, чем коэффициенты передачи по току первого (13) и второго (17) токовых зеркал.