Прецизионный 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, в прецизионных компараторах и операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: уменьшение абсолютного значения U_см и его температурного дрейфа. Усилитель содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1), первый (2) и второй (3) коллекторные выходы которого связаны с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов (Т), первый токостабилизирующий двухполюсник (ТД) (6), связанный с эмиттерной цепью (7) входного ДК (1) и эмиттером первого (8) вспомогательного Т, второй ТД (9), связанный с объединенными базами первого Т (4) и второго Т (5), токовое зеркало (10), вход которого связан с коллектором первого Т (4), а выход подключен к коллектору второго Т (5) и входу (11), связанному с базой входного Т (12) буферного усилителя (13). База первого Т (8) подключена к эмиттеру первого Т (4), а его коллектор соединен с базами первого Т (4) и второго Т (5), причем входной Т (12) буферного усилителя (13) имеет такой же тип проводимости, что и первый вспомогательный Т (8). 1 з.п. ф-лы, 9 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 прецизионных компараторах и операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной микроэлектронике широко используются каскодные дифференциальные усилители (КДУ). Среди них особое место занимают КДУ со следящим питанием, обеспечивающие повышенный коэффициент ослабления входных синфазных сигналов и работу входных транзисторов при малом напряжении коллектор-база в статическом режиме [1-21].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является схема ДУ фиг.1, представленная в патенте фирмы RCA Corporation США №3614645 фиг.2, которая также присутствует в большом числе других патентов [1-21].

Существенный недостаток известного КДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см).

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

Поставленная задача достигается тем, что в прецизионном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого связаны с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник 6, связанный с эмиттерной цепью 7 входного дифференциального каскада 1 и эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого связан с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 11, связанному с базой входного транзистора 12 буферного усилителя 13, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 8 вспомогательного транзистора подключена к эмиттеру первого 4 выходного транзистора, а его коллектор соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем входной транзистор 12 буферного усилителя 13 имеет такой же тип проводимости, что и первый 8 вспомогательный транзистор.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.3 приведена схема КДУ, соответствующая п.1 и 2 формулы изобретения. Схема фиг.4 также соответствует п.1 и 2 формулы изобретения. Она используется для описания работы заявляемого устройства.

На фиг.5, 6 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа (фиг.5) и заявляемого КДУ [фиг.6 (п.1 формулы изобретения)] в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.5 и 6.

На фиг.8 показана схема КДУ, соответствующая п.2 формулы изобретения, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.9 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.5 и 8.

Прецизионный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого связаны с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник 6, связанный с эмиттерной цепью 7 входного дифференциального каскада 1 и эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого связан с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 11, связанному с базой входного транзистора 12 буферного усилителя 13. База первого 8 вспомогательного транзистора подключена к эмиттеру первого 4 выходного транзистора, а его коллектор соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем входной транзистор 12 буферного усилителя 13 имеет такой же тип проводимости, что и первый 8 вспомогательный транзистор.

В частном случае входной дифференциальный каскад 1 (фиг.2) выполнен на транзисторах 14 и 15.

В схеме КДУ фиг.3 первый токостабилизирующий двухполюсник 6 связан с первым 8 вспомогательным транзистором через дополнительную цепь согласования потенциалов 16, выполненную в частном случае на p-n-p транзисторе 17.

В схеме фиг.4 дополнительный эмиттерный повторитель 16 также реализован на транзисторе 17, а буферный усилитель 13 выполнен на транзисторе 12, токостабилизирующем двухполюснике 18 и цепи смещения потенциалов 19, с помощью которой устанавливается заданный диапазон изменения выходного напряжения КДУ.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.4, т.е. зависящие только от схемотехники КДУ.

Если ток общей эмиттерной цепи 7 КДУ фиг.4 равен величине 2I₀, то токи коллекторов транзисторов 14 и 15, токи эмиттеров транзисторов 4 и 5, а также входной (I_вх.10) и выходной (I_вых.10) токи подсхемы 10 находятся по формулам:

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

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

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

Подставляя (1)-(5) в (6), находим, что разностный ток в узле «А», определяющий U_см, близок к нулю:

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

где r_э15=r_э14 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 15 и 14 дифференциального каскада 1. Поэтому для схем фиг.1 - 4

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В КДУ-прототипе фиг.1 I_p≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается более чем на порядок больше (U_см.1=2 мВ), чем в заявляемой схеме (U_см=21,7 мкВ (фиг.5, 6)).

Компьютерное моделирование схем фиг.5, 6, 8 подтверждает (фиг.7, 9) данные теоретические выводы.

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

Библиографический список

1. Патент США №3614645, фиг.2.

2. Патент Англии №1274672, фиг.2.

3. Патент США №3482177.

4. Патент США №3614645.

5. Патент США №3660773.

6. Патент Англии №1334759.

7. Патент ФРГ №1214733.

8. Патент Франции №1484340.

9. Патент Франции №1584575.

10. Патент Швеции 359989.

11. Авт.св. СССР 970638.

12. Патент США №3938055.

13. Патентная заявка США №2007/0069815.

14. Патент США №5332937, фиг.2.

15. Патент ФРГ №2039399, фиг.4.

16. Авт.св. СССР 922698.

17. Патент Англии №1212342, фиг.1

18. Патент ЧССР №145527.

19. Патент США №4151483, фиг.3.

20. Патент США №4151484, фиг.3.

21. Патент Франции №2482177.

1. Прецизионный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) коллекторные выходы которого связаны с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник (6), связанный с эмиттерной цепью (7) входного дифференциального каскада (1) и эмиттером первого (8) вспомогательного транзистора, второй (9) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с объединенными базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, токовое зеркало (10), вход которого связан с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго (5) выходного транзистора и входу (11), связанному с базой входного транзистора (12) буферного усилителя (13), отличающийся тем, что база первого (8) вспомогательного транзистора подключена к эмиттеру первого (4) выходного транзистора, а его коллектор соединен с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, причем входной транзистор (12) буферного усилителя (13) имеет такой же тип проводимости, что и первый (8) вспомогательный транзистор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый токостабилизирующий двухполюсник (6) связан с первым (8) вспомогательным транзистором через дополнительную цепь согласования потенциалов (16).