Дифференциальный усилитель

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 компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения э.д.с. смещения нуля U_см и его температурного дрейфа. Дифференциальный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор (3) местной отрицательной обратной связи, первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого (1) входного транзистора, второй (5) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго (2) входного транзистора, третий (6) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого (1) входного транзистора и эмиттером первого (7) выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого (1) входного транзистора, четвертый (8) токостабилизирующий двухполюсник (8), соединенный с коллектором второго (2) входного транзистора и эмиттером второго (9) выходного транзистора, токовое зеркало (10), вход которого подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (9) выходного транзистора и базой входного транзистора (11) буферного усилителя (12). База второго (9) выходного транзистора соединена с базой первого (7) выходного транзистора, а тип проводимости входного транзистора (11) буферного усилителя (12) совпадает с типом проводимости первого (7) и второго (9) выходных транзисторов. 5 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 компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной аналоговой микроэлектронике можно выделить подкласс дифференциальных усилителей на базе так называемого «перегнутого» каскода со следящим питанием [1-12]. Они относятся к числу наиболее широкополосных. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является схема ДУ фиг.1, представленная в Каталоге разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006 (стр.65), которая также присутствует в большом числе патентов ведущих микроэлектронных фирм, например, [1-12].

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см), зависящей от свойств его архитектуры.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см и его температурного дрейфа.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго 2 входного транзистора, третий 6 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого 1 входного транзистора и эмиттером первого 7 выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, четвертый 8 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и эмиттером второго 9 выходного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 9 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 буферного усилителя 12, предусмотрены новые связи - база второго 9 выходного транзистора соединена с базой первого 7 выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости первого 7 и второго 9 выходных транзисторов.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа (фиг.3) и заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.3, фиг.4.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго 2 входного транзистора, третий 6 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого 1 входного транзистора и эмиттером первого 7 выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, четвертый 8 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и эмиттером второго 9 выходного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 9 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 буферного усилителя 12. База второго 9 выходного транзистора соединена с базой первого 7 выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости первого 7 и второго 9 выходных транзисторов.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.

Если токи двухполюсников 4 и 5 равны величине I₀, a I₆=2I₀=I₈, то токи коллекторов транзисторов 1 и 2:

где I_б.i=I_э.i/β_i - ток базы n-p-n транзисторов (I_б.p) и p-n-p транзисторов (I_б.n) при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы транзисторов.

Следовательно, при единичном коэффициенте передачи по току токового зеркала 10 (К_i=1) эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 7 и 9, а также входной (I_вх.10) и выходной (I_вых.10) токи токового зеркала 10:

Как следствие, разность токов I_p в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину

где I_вх.12=2I_б.n - ток базы p-n-p транзистора 11 буферного усилителя 12.

Подставляя (1)÷(6) в (7), находим, что разностный ток, определяющий U_cм

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (8) уменьшается систематическая составляющая U_cм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_p в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u_вх ДУ в выходной ток узла «А»:

где r_э1=r_э2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2,

R₃ - сопротивление двухполюсника 3.

Поэтому для схемы фиг.2

где φ_T=26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе I_p=-2I_б.n, поэтому здесь систематическая составляющая U_cм получается на два порядка больше (U_cм=10,5 мВ), чем в заявляемой схеме (U_см=65 мкВ).

Компьютерное моделирование схем фиг.3, фиг.4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.

Источники информации

1. Патент Чехии №145526.

2. Патент Чехии №145528.

3. Патент США №4151482.

4. Патент Франции №2066287.

5. Патент Англии №1276375.

6. Патент Франции №2023 887.

7. Патент США №3825774 fig.8.

8. А.св. СССР №813692.

9. Патент США №4151484 fig.4.

10. Патент ФРГ №2039399.

11. Патент Швеции №365675.

12. Патент США №4406990 fig.4.

Дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор (3) местной отрицательной обратной связи, первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого (1) входного транзистора, второй (5) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго (2) входного транзистора, третий (6) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого (1) входного транзистора и эмиттером первого (7) выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого (1) входного транзистора, четвертый (8) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго (2) входного транзистора и эмиттером второго (9) выходного транзистора, токовое зеркало (10), вход которого подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (9) выходного транзистора и базой входного транзистора (11) буферного усилителя (12), отличающийся тем, что база второго (9) выходного транзистора соединена с базой первого (7) выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора (11) буферного усилителя (12) совпадает с типом проводимости первого (7) и второго (9) выходных транзисторов.