Каскодный 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 (например, компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: уменьшение абсолютных значений напряжения смещения и его температурного дрейфа. Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало (6), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго (5) выходного транзистора и входу (7) буферного усилителя (8), проводимость входного транзистора (9) которого совпадает с проводимостью первого (4) и второго (5) выходных транзисторов. База первого (4) выходного транзистора связана с его коллектором. 3 з.п. ф-лы, 14 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, 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 каскодные ДУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов и характеризующиеся повышенным частотным диапазоном. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.

Среди достаточно большого многообразия каскодных ДУ (КДУ) можно выделить три следующих подкласса устройств, содержащих в качестве обязательных элементов прецизионное токовое зеркало в цепи нагрузки входного каскада и выходной буферный усилитель:

1. КДУ на р-n-р входных транзисторах [1-4].

2. КДУ на n-р-n входных транзисторах [5-10].

3. «Перегнутые» каскодные ДУ [11-21].

При этом наибольшая прецизионность КДУ на постоянном токе реализуется в том случае, когда в качестве токовых зеркал в цепи нагрузки входного каскада применяются схемы Вильсона [11-21].

В качестве прототипа авторами выбран каскодный дифференциальный усилитель, входящий в структуру повторителя напряжения (стабилизатора) по патенту Франции 2.227.574 (схема fig.l при использовании следующих сочетаний функциональных узлов: fig. 3с и fig.4a). Это же техническое решение запатентовано еще в трех странах NL, DE, JP [7].

Существенный недостаток известного КДУ фиг.1 (так же как и КДУ трех рассматриваемых подклассов) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютных значений U_см и его температурного дрейфа.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (КДУ) фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 7 буферного усилителя 8, проводимость входного транзистора 9 которого совпадает с проводимостью первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, предусмотрены новые связи - база первого 4 выходного транзистора связана по переменному току со входом токового зеркала 6.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения для случая, когда транзисторы 4, 5 и 9 имеют р-тип проводимости.

На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения для случая, когда транзисторы 4, 5 и 9 имеют р-тип проводимости.

На фиг.4 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения для случая, когда неинвертирующий усилитель тока 16 реализован на полевом транзисторе.

На фиг.5 показана схема каскодного дифференциального усилителя по п.3 формулы изобретения на базе так называемого «перегнутого» каскода [11-21], в котором входной дифференциальный каскад 1 выполнен на элементах 18-22, а транзисторы 4, 5, 9 - р-n-р типа.

На фиг.6 представлена схема КДУ фиг.5 для случая, когда в нее введен транзистор терморадиационной компенсации 23, обеспечивающий компенсацию нестабильности токов через закрытый р-n переход на подложку транзистора 16. Это повышает стабильность U_см при температурах более 70-80°.

На фиг.7 показана схема каскодного дифференциального усилителя - прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при идеальном токовом зеркале 6.

На фиг.8 показана схема КДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при идеальном токовом зеркале 6.

На фиг.9 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля КДУ фиг.7 и фиг.8.

На фиг.10 приведена схема КДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для идеального токового зеркала 6.

На фиг.11 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля КДУ фиг.7 и фиг.10.

На фиг.12 приведена схема КДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для токового зеркала Вильсона 6.

На фиг.13 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля КДУ фиг.12 и фиг.7.

На фиг.14 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.7 (прототип), фиг.8, фиг.10 и фиг.12.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 7 буферного усилителя 8, проводимость входного транзистора 9 которого совпадает с проводимостью первого 4 и второго 5 выходных транзисторов. База первого 4 выходного транзистора связана с его коллектором.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 4 выходного транзистора соединен со входом токового зеркала 6 через цепь смещения потенциалов 15.

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, база первого 4 выходного транзистора связана с его коллектором через неинвертирующий повторитель тока 16 на основе транзистора, включенного по схеме с общей базой.

В схеме фиг.4 неинвертирующий повторитель тока 16 реализован на полевом транзисторе.

Схема фиг.5 реализована на основе входного каскада (элементы 18, 19, 20, 21 и 22) и «перегнутого» каскода [11-21].

На фиг.6 в схему введен дополнительный транзистор 23 терморадиационной компенсации, база которого соединена с базой транзистора неинвертирующего повторителя тока 16, а коллектор связан с выходом токового зеркала 6. Его введение уменьшает U_см при высоких температурах.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.2.

Если ток двухполюсника 14 равен величине 21₀ (например, 2 мА), то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4 и 5:

где I_б.р=I_э.i/β_i - ток базы n-p-n транзисторов при эмиттерном токе I_эi=I₀;

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

Поэтому входной (I_вх.6) и выходной (I_вых.6) токи токового зеркала 6

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

где I_БУ=2I_б.р - ток базы n-p-n транзистора 9 буферного усилителя 8.

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

Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_р в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u_вх КДУ в выходной ток узла «А»:

где r_э12=r_э13 - сопротивления эмиттерных переходов входных

транзисторов 12 и 13 дифференциального каскада 1.

Поэтому для схем фиг.1 - фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе I_р≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается на порядок больше (фиг.7, U_см=-l,36 мВ), чем в заявляемой схеме (U_см=-0,11 мВ).

Компьютерное моделирование сравниваемых схем (фиг.9) подтверждает данные теоретические выводы.

Если необходимо обеспечить симметрию амплитуд положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения КДУ фиг.2, то следует ввести цепь смещения потенциалов 11.

Особенность схемы фиг.3 - введение неинвертирующего повторителя токов 16. При этом отпадает необходимость включения цепи смещения потенциалов (фиг.2).

В схеме фиг.4 обеспечиваются не только эффекты компенсации U_см, но создается так называемое «следящее питание» транзисторов 12 и 13, что повышает ослабление синфазных сигналов.

Для минимизации U_см при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.6 предусмотрен транзистор 23, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n переход транзистора 16. Это существенно уменьшает производную dU_см /dT при t°>80°C.

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

Литература

1. Патент США №4.232.273.

2. Патентная заявка США №2007/0115056, fig.2 (Hitachi).

3. Патент США №4.801.893.

4. Патентная заявка США №2008/0136522.

5. Патентная заявка США №2007/0115056, fig.1.

6. Патентная заявка США №2007/0188191, fig.2.

7. Патент Франции 2.227.574 fig.2+fig. 3с+fig.4a.

8. Патент Швеции №359989.

9. Патент Японии JP 53-35352.

10. Патент Японии JP 61264806.

11. Патент США №6.114.234.

12. Патент США№5.091.701, fig.1.

13. Патент США№5.140.280.

14. Патент США №5.786.729.

15. Патент США №6.448.853.

16. Патент США №4.390.850.

17. Патент США №5.327.100 fig.2.

18. Патент США №6.4383.382 fig.2, fig.1.

19. Патент США №5.374.897.

20. Патент США №6.529.076.

21. Патент США №5.627.495 fig.2.

1. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало (6), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго (5) выходного транзистора и входу (7) буферного усилителя (8), проводимость входного транзистора (9) которого совпадает с проводимостью первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, отличающийся тем, что база первого (4) выходного транзистора связана с его коллектором.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллектор первого (4) выходного транзистора соединен со входом токового зеркала (6) через цепь смещения потенциалов (15).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что база первого (4) выходного транзистора связана с его коллектором через неинвертирующий повторитель тока (16) на основе транзистора в схеме с общей базой (затвором).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в схему введен дополнительный транзистор терморадиационной компенсации (23), база которого соединена с базой транзистора неинвертирующего повторителя тока (16), а коллектор связан с выходом токового зеркала (6).