Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля

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, решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля). Технический результат: уменьшение напряжения смещения нуля. Дифференциальный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1), первый (2) и второй (3) коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов (Т) и через первый (6) и второй (7) токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной (8) источника питания, цепь смещения потенциалов (9), связанную с объединенными базами Т (4) и Т (5), токовое зеркало (10), вход которого подключен к коллектору Т (5), а выход соединен с коллектором Т (4) и базой Т (11) выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом (12) устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник (13). В схему введен дополнительный Т (14), база которого связана с эмиттером Т (5), коллектор подключен к выходу (12) устройства, а эмиттер через третий (13) токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной (8) источника питания. 1 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, решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля).

Известны схемы прецизионных дифференциальных операционных усилителей (ОУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей (НА2520, НА5190, AD797, AD 8631, AD 8632, ОР90 и др.). В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 50 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ОУ, описанный в патенте США №5091701 (патентной заявке 2002/0196079 fig.1) (фиг.1), содержащий входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания 8, цепь смещения потенциалов 9, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора и базой транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом 12 устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник 13.

Существенный недостаток известного дифференциального операционного усилителя состоит в том, что он характеризуется сравнительно большим напряжением смещения нуля (U_см).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ОУ, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания 8, цепь смещения потенциалов 9, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора и базой транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом 12 устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник 13, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 14, база которого связана с эмиттером 5 второго выходного транзистора, коллектор подключен к выходу 12 устройства, а эмиттер через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной источника питания 8.

На фиг.1 показана схема дифференциального операционного усилителя-прототипа.

На фиг.2 представлена схема заявляемого ОУ в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 представлен ОУ-прототип фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», соответствующий архитектуре фиг.1. Здесь при температуре 20°С U_см=1,11 мВ.

На фиг.4 представлен вариант построения заявляемого ОУ в среде компьютерного моделирования РSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», соответствующий фиг.2. Здесь при температуре 20°С U_см=17,5 мкВ.

На фиг.5 приведены графики температурной зависимости U_см схем фиг.3 и фиг.4.

Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания 8, цепь смещения потенциалов 9, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора и базой транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом 12 устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник 13. В схему введен дополнительный транзистор 14, база которого связана с эмиттером 5 второго выходного транзистора, коллектор подключен к выходу 12 устройства, а эмиттер через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной источника питания 8.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между выходом 12 устройства и шиной источника питания 8 включен дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 15. В частном случае входной каскад 1 реализован здесь на транзисторах 16, 17 и двухполюснике 18.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).

Статический режим по току транзисторов 4 и 5 ОУ фиг.2 определяется двухполюсниками 6, 7, 18 и током базы транзистора 14.

При I₁₈=2I₀, I₁₃=I₀ эмиттерные токи транзисторов 5 и 4 определяются формулами

Поэтому коллекторные токи транзисторов 5 и 4

Если учесть, что коэффициент передачи по току токового зеркала 10 K_i12.10=1, то можно найти, что в узле «А» выполняется равенство

Таким образом, в высокоимпедансном узле «А» обеспечивается взаимная компенсация выходного тока подсхемы 10, тока базы транзистора 11 и коллекторного тока транзистора 4. Это является необходимым и достаточным условием минимизации систематической составляющей U_см, обусловленной β транзисторов.

Как следствие предлагаемая схема ОУ имеет более низкие значения U_см.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.3 и фиг.4. Численные значения систематической составляющей U_см (без учета разброса параметров элементов) лежат для этих схем в диапазоне 20÷25 мкВ. В то же время в ОУ-прототипе U_см изменяется единицами милливольт. Введение двухполюсника 15 позволяет обеспечить более точную взаимную компенсацию токов в узле «А» и получить малые значения U_см.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество по U_см в сравнении с ДУ-прототипом. При этом данный результат достигается без ухудшения других параметров ОУ.

Источники информации

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.

2. Патент США №6.218.900, фиг.1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.

4. Патент США №6.788.143.

5. Патент США №3.644.838, фиг.2.

6. Патент США Re 30.587.

7. Патент ЕР 1.227.580.

8. Патент США №6.714.076.

9. Патент США №5.786.729.

10. Патент США №5.327.100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4.274.061.

13. Патент США №5.422.600, фиг.2.

14. Патент США №6.788.143, фиг.2.

15. Патент США №4.959.622, фиг.1.

16. Патент США №4.406.990, фиг.4.

17. Патент США №5.418.491.

18. Патент США №6.018.268.

19. Патент США №5.952.882.

20. Патент США №4.723.111.

21. Патент США №4.293.824.

22. Патент США №6.580.325.

23. Патент США №6.965.266.

24. Патент США №6.867.643.

25. Патент США №6.236.270.

26. Патент США №5.323.121.

27. Патент США №6.229.394.

28. Патент США №5.734.296.

29. Патент США №5.477.190.

30. Патент США №5.091.701.

31. Патент США №6.717.474.

32. Патент США №6.084.475.

33. Патент США №3.733.559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.

35. Патент США №6.300.831.

1. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов и через первый (6) и второй (7) токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания (8), цепь смещения потенциалов (9), связанную с объединенными базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, токовое зеркало (10), вход которого подключен к коллектору второго (5) выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора и базой транзистора (11) выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом (12) устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник (13), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (14), база которого связана с эмиттером (5) второго выходного транзистора, коллектор подключен к выходу (12) устройства, а эмиттер через третий (13) токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной источника питания (8).

2. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что между выходом (12) устройства и шиной источника питания (8) включен дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (15).