Каскодный дифференциальный усилитель

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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: уменьшение напряжения смещения нуля U_см, а также его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий. Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов (Т) с объединенными базами, первый (6) и второй (7) выходные Т с объединенными базами, цепь смещения потенциалов (8), связанную с объединенными базами первого Т (4) и второго Т (5), эмиттеры первого (6) и второго (7) выходных Т связаны с шиной источника питания (9) через первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого Т (6) соединен с коллектором первого Т (4), эмиттер второго Т (7) соединен с коллектором второго Т (5), коллектор первого Т (6) подключен ко входу токового зеркала (ТЗ) (12), а коллектор второго Т (7) связан с выходом ТЗ (12) и соединен с базой Т (13) буферного усилителя (14). Базы первого Т (6) и второго Т (7) связаны с эмиттером первого Т (4), а входной Т (13) буферного усилителя (14) имеет такой же тип проводимости, что и первый Т (6) и также второй Т (7). 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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (КДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ на базе «перегнутых» каскодов [1-18], получившие широкое применение в микроэлектронных изделиях. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому КДУ является классическая схема КДУ, фиг.1, представленная в патентной заявке США 2007/0069815, которая также присутствует в других патентах [1-18].

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 напряжения смещения нуля U_см, а также его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий.

Поставленная задача достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (КДУ), фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы с объединенными базами, цепь смещения потенциалов 8, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, эмиттеры первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с шиной источника питания 9 через первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с коллектором первого 4 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с коллектором второго 5 вспомогательного транзистора, коллектор первого 6 выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала 12, а коллектор второго 7 выходного транзистора связан с выходом токового зеркала 12 и соединен с базой входного транзистора 13 буферного усилителя 14, предусмотрены новые элементы и связи - базы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с эмиттером первого 4 вспомогательного транзистора, а входной транзистор 13 буферного усилителя 14 имеет такой же тип проводимости, что и первый 6 и также второй 7 выходные транзисторы.

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

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы каскодного дифференциального усилителя-прототипа (фиг.3) и заявляемого КДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.5 представлены результаты компьютерного моделирования схем фиг.3 и фиг.4 - зависимость напряжения смещения нуля U_см от температуры.

Каскодный дифференциальный усилитель, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы с объединенными базами, цепь смещения потенциалов 8, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, эмиттеры первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с шиной источника питания 9 через первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с коллектором первого 4 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с коллектором второго 5 вспомогательного транзистора, коллектор первого 6 выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала 12, а коллектор второго 7 выходного транзистора связан с выходом токового зеркала 12 и соединен с базой входного транзистора 13 буферного усилителя 14. Базы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны с эмиттером первого 4 вспомогательного транзистора, а входной транзистор 13 буферного усилителя 14 имеет такой же тип проводимости, что и первый 6 и также второй 7 выходные транзисторы. Статический режим входного транзистора 13 буферного усилителя 14 устанавливается двухполюсником 15. Входной дифференциальный каскад 1 выполнен на входных транзисторах 16 и 17, а также двухполюснике 18. Коллекторные цепи транзисторов 16 и 17 имеют перекрестные связи. Это обеспечивает работоспособность схемы при больших амплитудах входного напряжения за счет того, что транзисторы 4 и 5 никогда не входят в отсечку, то есть базы транзисторов 6 и 7 всегда подключены к низкоомной цепи.

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

Если токи двухполюсников 18, 10, 11, 15 равны 2I_о, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4 и 5, 6 и 7, 13:

где I_б.i=I_э.i/β_i - ток базы i-го n-p-n (I_б.p) или p-n-p (I_б.n)- транзистора при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.

Поэтому входной (I_вх.12) и выходной (I_вых.12) токи токового зеркала 12

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

где I_БУ=2I_б.n - ток базы n-p-n-транзистора 13 буферного усилителя 14. Подставляя (1)÷(10) в (11), находим, что разностный ток, определяющий U_см КДУ:

Как следствие, при I_р=0 не требуется смещения нуля КДУ, фиг.2, на величину U_см, подача которого на его входы Вх⁽⁺⁾1, Вх^(-)2 компенсирует разностный ток I_р в узле А.

Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов схемы и их 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 преобразования входного дифференциального напряжения u_вх КДУ в выходной ток узла А:

где r_э16=r_э17 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 16 и 17 дифференциального каскада 1.

Поэтому для схем фиг.1 - фиг.2:

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В КДУ-прототипе I_р=2I_б.n≠0. Поэтому здесь систематическая

составляющая U_см получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме (см. фиг.3 - фиг.4).

Компьютерное моделирование схем фиг.3 и фиг.4 подтверждает данные теоретические выводы (фиг.5).

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

Источники информации

1. Патент США №5.091.701, фиг.1.

2. Патент США №6.448.853, фиг.6.

3. Патент США №6.529.076.

4. Патент США №5.327.100, фиг.2.

5. Патентная заявка США 2002/0196079, фиг.1.

6. Патент США №5.734.296, фиг.3.

7. Патентная заявка США 2003/0090321, фиг.8.

8. Патент США №6.710.654.

9. Патент США №6.483.382, фиг.2.

10. Патентная заявка США 2006/0202762.

11. Патент США №5.140.280, фиг.1.

12. Патент США №4.600.893, фиг.7.

13. Патент США №6.788.143.

14. Патент США №6.734.720, фиг.1.

15. Патентная заявка США 2008/0186091, фиг.4.

16. Патентная заявка США 2007/0069815.

17. Патент США №6.304.143, фиг.3.

18. Патент Англии GB 2035003.

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый (6) и второй (7) выходные транзисторы - с объединенными базами, цепь смещения потенциалов (8), связанную с объединенными базами первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов, эмиттеры первого (6) и второго (7) выходных транзисторов связаны с шиной источника питания (9) через первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого (6) выходного транзистора соединен с коллектором первого (4) вспомогательного транзистора, эмиттер второго (7) выходного транзистора соединен с коллектором второго (5) вспомогательного транзистора, коллектор первого (6) выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала (12), а коллектор второго (7) выходного транзистора связан с выходом токового зеркала (12) и соединен с базой входного транзистора (13) буферного усилителя (14), отличающийся тем, что базы первого (6) и второго (7) выходных транзисторов связаны с эмиттером первого (4) вспомогательного транзистора, а входной транзистор (13) буферного усилителя (14) имеет такой же тип проводимости, что и первый (6) и также второй (7) выходные транзисторы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной дифференциальный каскад (1) выполнен на основе первого (16) и второго (17) входных транзисторов с перекрестными связями в цепи коллекторов.