Дифференциальный 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. Технический результат: уменьшение абсолютного значения напряжения смещения и его температурного дрейфа. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), первый (3) и второй (4) токостабилизирующие двухполюсники (ТД), двухполюсник местной отрицательной обратной связи (5), включенный между эмиттерами Т (1) и Т (2), токовое зеркало (6), вход и выход которого подключены соответственно к коллекторам Т (1) и Т (2) и входу (7) эмиттерного повторителя (8) на основе входного Т (9), тип проводимости которого совпадает с типом проводимости Т (1) и Т (2). В схему введены Т (10) и Т (11) с объединенными базами, эмиттер Т (10) соединен с ТД (3), эмиттер Т (11) связан с ТД (4), объединенные базы Т (10) и Т (11) связаны с эмиттером Т (1), коллектор Т (10) подключен к эмиттеру Т (1), а коллектор Т (11) соединен с эмиттером Т (2). 4 з.п. ф-лы, 11 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 радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами.

Особое место занимают дифференциальные усилители (ДУ) с местной отрицательной обратной связью, которая обеспечивается резистором, включенным между эмиттерами входных транзисторов ДУ. Такие ДУ используются в быстродействующих операционных усилителях и характеризуются расширенным диапазоном линейной работы. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ДУ фиг.1, представленная в патенте США №5365191, которая также присутствует в большом числе других патентов, например [1-13], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов управляемые токовые зеркала [1-6] или неуправляемые токостабилизирующие двухполюсники [7-13].

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

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, первый 3 и второй 4 токостабилизирующие двухполюсники, двухполюсник местной отрицательной обратной связи 5, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 2 входного транзистора и входу 7 эмиттерного повторителя 8 на основе входного транзистора 9, тип проводимости которого совпадает с типом проводимости первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 10 и второй 11 дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого 10 дополнительного транзистора соединен с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер второго 11 дополнительного транзистора связан со вторым 4 токостабилизирующим двухполюсником, объединенные базы первого 10 и второго 11 дополнительных транзисторов связаны с эмиттером первого 1 входного транзистора, коллектор первого 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, а коллектор второго 11 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора.

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

Схема фиг.3 соответствует п.2, п.3 и п.4 формулы изобретения. На фиг.4, фиг.5 показаны варианты построения дополнительного неинвертирующего усилителя тока, соответствующего п.3 (фиг.4) и п.4 (фиг.5) формулы изобретения.

На фиг.6 приведена схемы заявляемого устройства в соответствии с п.5 формулы изобретения.

На фиг.7 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа, а на фиг.8 - заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.9 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.7, фиг.8.

На фиг.10 приведена схема фиг.6 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», в которой присутствует специальный транзистор 17 терморадиационной компенсации U_см (фиг.6).

На фиг.11 показана зависимость U_см=f(t°) схем фиг.10 и фиг.8, которая показывает эффективность введения транзистора 17 (фиг.6).

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, первый 3 и второй 4 токостабилизирующие двухполюсники, двухполюсник местной отрицательной обратной связи 5, включенный между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 2 входного транзистора и входу 7 эмиттерного повторителя 8 на основе входного транзистора 9, тип проводимости которого совпадает с типом проводимости первого 1 и второго 2 входных транзисторов. В схему введены первый 10 и второй 11 дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого 10 дополнительного транзистора соединен с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер второго 11 дополнительного транзистора связан со вторым 4 токостабилизирующим двухполюсником, объединенные базы первого 10 и второго 11 дополнительных транзисторов связаны с эмиттером первого 1 входного транзистора, коллектор первого 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, а коллектор второго 11 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора.

Статический режим транзистора 9 в схеме фиг.2 устанавливается двухполюсником 12.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения объединенные базы первого 10 и второго 11 дополнительных транзисторов связаны с эмиттером первого 1 входного транзистора через дополнительный неинвертирующий усилитель тока 13.

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы коэффициент передачи по току дополнительного неинвертирующего усилителя тока 13 близок к единице, что обеспечивается транзистором 14.

На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы коэффициент усиления по току дополнительного неинвертирующего усилителя тока 13 близок к 0,5, что обеспечивается параллельным включением двух транзисторов 15 и 16.

В схеме фиг.6 в соответствии с п.5 формулы изобретения введен транзистор терморадиационной компенсации 17, а базы транзисторов 14 и 17 связаны с цепью смещения 18.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.3, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.

Если токи двухполюсников 3 и 4 равны величине I₀, то токи коллекторов транзисторов 10 и 11:

где I_б.р=I_э.i/β_i - ток базы n-p-n транзисторов 1, 2, 10, 11, 9 при эмиттерном токе I_э.i =I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов.

Входной I_вx.13 и выходной I_вых.13 токи неинвертирующего усилителя 13

где К_i - коэффициент передачи по току усилителя 13.

Следовательно, эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 1 и 2, а также выходной ток (I_вых.6) токового зеркала 6:

Если ток двухполюсника 12 выразить через токи двухполюсников 3 и 4

где m - масштабный коэффициент, то входной ток эмиттерного повторителя 8 (I_вx.8) будет связан с током I_б.р следующим уравнением

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

где I_вх.8=mI_б.р - ток базы n-p-n транзистора эмиттерного повторителя 8.

Подставляя (1)÷(11) в (12) находим, что разностный ток, определяющий U_см,

Для получения нулевого значения разностного тока I_р необходимо, чтобы выполнялось условие

Например, если m=2, то К_i=1 (фиг.4). При m=1 коэффициент усиления по току должен иметь значение К_i=0,5 (фиг.5).

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (14) 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_р 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 дифференциального каскада 1,

R₅ - сопротивление двухполюсника 5.

Поэтому для схемы фиг.3

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе I_р≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается на порядок больше (U_см=5,2 мВ), чем в заявляемой схеме (U_см=383,4 мкВ).

Компьютерное моделирование схем фиг.7, фиг.8, фиг.10 подтверждает (фиг.9, фиг.11) данные теоретические выводы.

Для минимизации U_см при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.6 предусмотрен транзистор 17, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его p-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через p-n переход транзистора 14. Это существенно уменьшает производную dU_см/dT при t°>80°C (фиг.11).

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4636743, fig.1.

2. Патент США №5828242, fig.5.

3. Патент США №5365191, fig.9.

4. Патент США №4636744.

5. Патент США №6281752, fig.5a.

6. Патент США №4783637.

7. Патент США №5734294.

8. Патентная заявка США 2006/0066362.

9. Патент США №5684419.

10. Патент США №4757274, fig.1.

11. Патент США №4721920.

12. Патент США №5184088.

13. Патент США №4575687.

1. Дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, первый (3) и второй (4) токостабилизирующие двухполюсники, двухполюсник местной отрицательной обратной связи (5), включенный между эмиттерами первого (I) и второго (2) входных транзисторов, токовое зеркало (6), вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, а выход подключен к коллектору второго (2) входного транзистора и входу (7) эмиттерного повторителя (8) на основе входного транзистора (9), тип проводимости которого совпадает с типом проводимости первого (1) и второго (2) входных транзисторов, отличающийся тем, что в схему введены первый (10) и второй (11) дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого (10) дополнительного транзистора соединен с первым (3) токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер второго (11) дополнительного транзистора связан со вторым (4) токостабилизирующим двухполюсником, объединенные базы первого (10) и второго (11) дополнительных транзисторов связаны с эмиттером первого (1) входного транзистора, коллектор первого (10) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого (1) входного транзистора, а коллектор второго (II) дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго (2) входного транзистора.

2. Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что объединенные базы первого (10) и второго (11) дополнительных транзисторов связаны с эмиттером первого (1) входного транзистора через дополнительный неинвертирующий усилитель тока (13).

3. Дифференциальный усилитель по п.2, отличающийся тем, что коэффициент передачи по току дополнительного неинвертирующего усилителя тока (13) близок к единице.

4. Дифференциальный усилитель по п.2, отличающийся тем, что коэффициент усиления по току дополнительного неинвертирующего усилителя тока близок к 0,5.

5. Дифференциальный усилитель по п.2, отличающийся тем, что дополнительный неинвертирующий усилитель тока выполнен на вспомогательном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, причем база вспомогательного транзистора соединена с базой транзистора терморадиационной компенсации, коллектор которого подключен к эмиттеру второго входного транзистора.