Дифференциальный операционный 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 решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения напряжения смещения U_cм, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току К_i≠1. Дифференциальный операционный усилитель содержит первый (1) входной дифференциальный каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первое (4) токовое зеркало, буферный усилитель (5), база входного транзистора (6) которого связана с выходом первого (4) токового зеркала, а эмиттер с выходом буферного усилителя (5), первый источник опорного тока (7), первый вывод которого связан с шиной первого (8) источника питания, второй источник питания (9), связанный с эмиттерным выходом первого (4) токового зеркала. В схему введен второй (10) входной дифференциальный каскад, первый (11) токовый выход которого соединен со входом второго (12) токового зеркала, второй (13) токовый выход связан со входом первого (4) токового зеркала и соединен с выходом второго (12) токового зеркала и первым выводом второго (14) источника опорного тока, второй вывод которого соединен с шиной первого (8) источника питания, первый (2) токовый выход первого (1) входного дифференциального каскада соединен с выходом первого (4) токового зеркала и входом буферного усилителя (5), эмиттерный выход второго (12) токового зеркала соединен с шиной второго (9) источника питания, а второй вывод первого (7) источника опорного тока соединен с выходом буферного усилителя. 3 з.п. ф-лы, 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 решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.

Особое место занимают дифференциальные операционные усилители (ОУ) с неуправляемой сигналом активной нагрузкой (токовым зеркалом), обеспечивающей непосредственное управление буферным усилителем. Такие ОУ имеют одноканальную структуру передачи по цепи общей отрицательной обратной связи и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ.

Предлагаемое изобретение относится к классу ОУ на базе несимметричных входных каскадов [1-11], которые до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ (фиг.1), представленная в патенте США №4.415.868, fig,3, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов токовые зеркала с несимметричным включением (по отношению к входному каскаду).

Существенный недостаток известного ОУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см), зависящей от погрешности передачи по току применяемого токового зеркала. Особенно существенной эта погрешность получается при использовании в качестве токового зеркала простейших схемотехнических решений.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току, не равный единице K_i≠1. Такое значение K_i характерно для многих классических токовых зеркал.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, буферный усилитель 5, база входного транзистора 6 которого связана с выходом первого 4 токового зеркала, а эмиттер с выходом буферного усилителя 5, первый источник опорного тока 7, первый вывод которого связан с шиной первого 8 источника питания, второй источник питания 9, связанный с эмиттерным выходом первого 4 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 10 входной дифференциальный каскад, первый 11 токовый выход которого соединен со входом второго 12 токового зеркала, второй 13 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 12 токового зеркала и первым выводом второго 14 источника опорного тока, второй вывод которого соединен с шиной первого 8 источника питания, первый 2 токовый выход первого 1 входного дифференциального каскада соединен с выходом первого 4 токового зеркала и входом буферного усилителя 5, эмиттерный выход второго 12 токового зеркала соединен с шиной второго 9 источника питания, а второй вывод первого 7 источника опорного тока соединен с выходом буферного усилителя.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства, соответствующая формуле изобретения по п.1, п.2, п.3, п.4.

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы ОУ-прототипа и заявляемого ОУ (в соответствии с п.1, п.2, п.3, п.4 формулы изобретения) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».

На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем на фиг.3 и фиг.4.

Заявляемый дифференциальный операционный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, буферный усилитель 5, база входного транзистора 6 которого связана с выходом первого 4 токового зеркала, а эмиттер с выходом буферного усилителя 5, первый источник опорного тока 7, первый вывод которого связан с шиной первого 8 источника питания, второй источник питания 9, связанный с эмиттерным выходом первого 4 токового зеркала. В схему введен второй 10 входной дифференциальный каскад, первый 11 токовый выход которого соединен со входом второго 12 токового зеркала, второй 13 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 12 токового зеркала и первым выводом второго 14 источника опорного тока, второй вывод которого соединен с шиной первого 8 источника питания, первый 2 токовый выход первого 1 входного дифференциального каскада соединен с выходом первого 4 токового зеркала и входом буферного усилителя 5, эмиттерный выход второго 12 токового зеркала соединен с шиной второго 9 источника питания, а второй вывод первого 7 источника опорного тока соединен с выходом буферного усилителя.

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения шина источника питания 9 соединена со вторым 3 токовым выходом первого 1 входного дифференциального каскада через первую 15 цепь согласования потенциалов.

На фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения второй 13 токовый выход второго 10 входного дифференциального каскада подключен ко входу первого 4 токового зеркала через вторую 16 цепь согласования потенциалов.

На фиг.2 в соответствии с п.4 формулы изобретения эмиттер входного транзистора 6 буферного усилителя 5 связан с выходом буферного усилителя 5 через третью 17 цепь согласования потенциалов.

Первый 1 и второй 10 входные дифференциальные каскады в схеме на фиг.2 реализованы соответственно на транзисторах 20, 21, двухполюснике 22, а также на транзисторах 23, 24 и двухполюснике 25.

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

Если величины токов двухполюсников 22 и 25 первого 1 и второго 10 входных дифференциальных каскадов равны 2I₀, а токи первого 7 и второго 14 источников опорного тока - величине I₀, то токи коллекторов транзисторов 20, 21, 23, 24 первого 1 и второго 10 входных дифференциальных каскадов определяются соотношениями:

где I_б.р=I₀/β_i - ток базы n-p-n транзистора при токе эмиттера I_э=I₀,

β_i - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.

Поэтому выходной ток второго 12 токового зеркала определяется как

где I_р12 - разность токов на выходе и входе второго 12 токового зеркала.

Токи на входе и выходе первого 4 токового зеркала равны суммам следующих токов:

Так как токовые зеркала 4 и 12 выполнены с использованием идентичных схемотехнических решений, то их токи ошибки одинаковы (I_р12=I_р4). Следовательно, выходной ток токового зеркала 4

Поэтому разность токов в узле «A» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину равна нулю:

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (6) уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_Σ в узле «A» создает U_см, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u_вх в выходной ток узла «A»:

где r_э20=r_э21 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 20 и 21 первого 1 входного дифференциального каскада.

Поэтому для схемы на фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ОУ-прототипе I_Σ≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.

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

Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий предлагаемый ОУ и в этих условиях имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.

Включение дополнительной цепи согласования потенциалов 15 способствует симметрированию режимов работы первого 1 входного дифференциального каскада, повышению стабильности U_см. В качестве цепи согласования потенциалов 15 могут использоваться резистивно-диодные делители напряжения питания, каскодные усилители и т.п.

Авторы рекомендуют введение второй 16 и третьей 17 цепей согласования потенциалов для дальнейшего снижения U_см и формирования заданной амплитуды выходного напряжения ОУ.

В ряде случаев в заявляемом ОУ могут использоваться входы второго 10 входного дифференциального каскада, что позволяет реализовать на его основе так называемые мультидифференциальные ОУ, имеющие большие перспективы применения в микросхемотехнике.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей современных систем на кристалле.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4.415.868, fig.3.

2. Патент ФРГ №2928841, fig.3.

3. Патент Японии JP 54-34589, кл. 98(5) A014.

4. Патент Японии JP 154-10221, кл. H03F 3/45.

5. Патент Японии JP 54-102949, кл. 98(5)A21.

6. Патент США №4.366.442, fig.2.

7. Патент США №6.426.678.

8. Патентная заявка США 2007/0152753, fig.5c.

9. Патент США №6.531.920, fig.4.

10. Патент США №4.262.261.

11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).

1. Дифференциальный операционный усилитель, содержащий первый входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, первое токовое зеркало, буферный усилитель, база входного транзистора которого связана с выходом первого токового зеркала, а эмиттер - с выходом буферного усилителя, первый источник опорного тока, первый вывод которого связан с шиной первого источника питания, второй источник питания, связанный с эмиттерным выходом первого токового зеркала, отличающийся тем, что в схему введен второй входной дифференциальный каскад, первый токовый выход которого соединен со входом второго токового зеркала, второй токовый выход связан со входом первого токового зеркала и соединен с выходом второго токового зеркала и первым выводом второго источника опорного тока, второй вывод которого соединен с шиной первого источника питания, первый токовый выход первого входного дифференциального каскада соединен с выходом первого токового зеркала и входом буферного усилителя, эмиттерный выход второго токового зеркала соединен с шиной второго источника питания, а второй вывод первого источника опорного тока соединен с выходом буферного усилителя.

2. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что шина источника питания соединена со вторым токовым выходом первого входного дифференциального каскада через первую цепь согласования потенциалов.

3. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что второй токовый выход второго входного дифференциального каскада подключен ко входу первого токового зеркала через вторую цепь согласования потенциалов.

4. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что эмиттер входного транзистора буферного усилителя связан с выходом буферного усилителя через третью цепь согласования потенциалов.