Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля (ОУ)). Технический результат: уменьшение напряжения смещения нуля (U_СМ). Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной (1) параллельно-балансный каскад, первый (2) и второй (3) токовые выходы которого подключены к соответствующим первому (4) и второму (5) выходным транзисторам (Т) и через первый (6) и второй (7) токостабилизирующие двухполюсники (ТД) соединены с первой (8) шиной источника питания (ИП), выходной эмиттерный повторитель (9), входной Т (10) которого имеет такой же тип проводимости, что первый Т (4) и второй Т (5), вспомогательный Т (11), база которого подключена к коллектору первого Т (4) и через третий ТД (12) соединена со второй (13) шиной ИП, а эмиттер подключен к объединенным базам первого Т (4) и второго Т (5), причем коллектор второго Т (5) связан с базой входного Т (10) выходного эмиттерного повторителя (9) и через четвертый ТД (14) соединен со второй (13) шиной ИП. Третий ТД (12) и четвертый ТД (14) выполнены на основе первого (15) и второго (16) дополнительных Т, базы которых подключены к цепи установления статического режима (17), эмиттеры связаны со второй (13) шиной ИП через первый (18) и второй (19) дополнительные резисторы, а коллектор Т (11) связан с эмиттером первого Т (15). 6 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, операционных усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля (ОУ)).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-12], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, 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 ДУ, описанный в патенте фирмы National Semiconductor США №5420540 (фиг.1), содержащий входной 1 параллельно-балансный каскад, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого подключены к соответствующим первому 4 и второму 5 выходным транзисторам и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой 8 шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель 9, входной транзистор 10 которого имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, вспомогательный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора и через третий 12 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 13 шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем коллектор второго 5 выходного транзистора связан с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 9 и через четвертый 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 13 шиной источника питания.

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

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля (U_см).

Поставленная задача достигается тем, что в известном ДУ, содержащем входной 1 параллельно-балансный каскад, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого подключены к соответствующим первому 4 и второму 5 выходным транзисторам и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой 8 шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель 9, входной транзистор 10 которого имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, вспомогательный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора и через третий 12 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 13 шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем коллектор второго 5 выходного транзистора связан с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 9 и через четвертый 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 13 шиной источника питания, предусмотрены новые связи - третий 12 и четвертый 14 токостабилизирующие двухполюсники выполнены на основе первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 17, эмиттеры связаны со второй 13 шиной источника питания через первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы, а коллектор вспомогательного транзистора 11 связан с эмиттером первого 15 дополнительного транзистора.

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

На фиг.2 представлена схема заявляемого ДУ.

На фиг.3 представлен вариант построения ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь (без учета разброса параметров элементов) U_см=-1,35 мВ.

На фиг.4 представлен заявляемый ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь U_см=113,3 мкВ.

На фиг.5 приведена схема фиг.4 со специальным транзистором VT15, который повышает температурную стабильность U_см ДУ фиг.4.

На фиг.6 приведены температурные зависимости U_см ДУ фиг.3, фиг.4, фиг.5.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной 1 параллельно-балансный каскад, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого подключены к соответствующим первому 4 и второму 5 выходным транзисторам и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой 8 шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель 9, входной транзистор 10 которого имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, вспомогательный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора и через третий 12 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 13 шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем коллектор второго 5 выходного транзистора связан с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 9 и через четвертый 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 13 шиной источника питания. Третий 12 и четвертый 14 токостабилизирующие двухполюсники выполнены на основе первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 17, эмиттеры связаны со второй 13 шиной источника питания через первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы, а коллектор вспомогательного транзистора 11 связан с эмиттером первого 15 дополнительного транзистора.

В частном случае выходной эмиттерный повторитель 9 содержит резистор 10, а входной каскад 1 реализован на базе транзисторов 21, 22 и двухполюснике 23.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).

Статический режим по току транзисторов 4 и 5 ДУ фиг.2 определяется транзисторами 15 и 16. Токи коллекторов этих транзисторов:

Поэтому эмиттерные токи транзисторов 4 и 5

где I_б.p - ток базы транзисторов 4 и 5.

При идентичных резисторах 6 и 7 и одинаковых токах выходов 2 и 3 эмиттерный ток транзистора 5 будет равен эмиттерному току транзистора 4

Таким образом, ток коллектора транзистора 5

Для цепи базы транзистора 10 (узел «А»)

Из последнего уравнения следует, что при I_БУ=2I_б.р условием взаимной компенсации токов в цепи базы транзистора 10 и, как следствие, малых напряжений U_см будет равенство

Поэтому предлагаемая схема ДУ имеет более низкие значения U_см.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.3, фиг.4, фиг.5. Численные значения систематической составляющей U_см (без учета разброса параметров элементов) лежат для предлагаемых схем в диапазоне до 150 мкВ. В то же время в ДУ-прототипе U_см изменяется единицами милливольт (U_см≈1,5 мВ).

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с ДУ-прототипом.

Источники информации

1. Патент США №5422600;

2. Патент США №4644295 (НА-2539);

3. Патент США №5734296;

4. Патент США №4293824;

5. Патент США №5420540;

6. Патент США №5952882;

7. Патент США №6717466;

8. Патент США №6542030;

9. Патент США №5422600;

10. Патент США №6456162;

11. Патент США №6456163;

12. Патент США №6617466.

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной (1) параллельно-балансный каскад, первый (2) и второй (3) токовые выходы которого подключены к соответствующим первому (4) и второму (5) выходным транзисторам и через первый (6) и второй (7) токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой (8) шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель (9), входной транзистор (10) которого имеет такой же тип проводимости, что и первый (4) и второй (5) выходные транзисторы, вспомогательный транзистор (11), база которого подключена к коллектору первого (4) выходного транзистора и через третий (12) токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй (13) шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, причем коллектор второго (5) выходного транзистора связан с базой входного транзистора (10) выходного эмиттерного повторителя (9) и через четвертый (14) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (13) шиной источника питания, отличающийся тем, что третий (12) и четвертый (14) токостабилизирующие двухполюсники выполнены на основе первого (15) и второго (16) дополнительных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима (17), эмиттеры связаны со второй (13) шиной источника питания через первый (18) и второй (19) дополнительные резисторы, а коллектор вспомогательного транзистора (11) связан с эмиттером первого (15) дополнительного транзистора.