Прецизионный операционный усилитель

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения. Технический результат: уменьшение напряжения смещения нуля в условиях разброса коэффициента усиления тока базы (β) n-p-n и р-n-р транзисторов, а также их температурной и радиационной зависимости. Операционный усилитель (ОУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного (4) и отрицательного (5) источников питания, первый (6) и второй (7) входные транзисторы (Т) буферного каскада с объединенными базами, первый (8) и второй (9) выходные Т буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом (10) ОУ, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник (ТД), связанный с эмиттером Т (7) и базой Т (8), второй ТД (12), связанный с эмиттером Т (6) и базой Т (9). В схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные Т, коллекторы которых подключены к базам Т (6) и Т (7), эмиттер Т (13) соединен с первым (2) токовым выходом ДК (1), эмиттер Т (14) соединен со вторым (3) токовым выходом ДК (1), а базы Т (13) и Т (14) связаны с выходом (10) ОУ. 7 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.

Одним из классических вариантов построения операционных усилителей являются схемы, содержащие входной дифференциальный каскад и выходной каскад на базе так называемых «бриллиантовых» транзисторов, которые стали основой современных аналоговых микросхем [1-10]. Предполагаемое изобретение относится к данному классу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель, представленный в патенте США №5479133, fig.5. Эта архитектура присутствует в большем числе других патентов [1-10].

Существенный недостаток известного операционного усилителя (ОУ) (фиг.1 - фиг.2) состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U_см), связанное с влиянием на U_см буферного каскада.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля в условиях разброса коэффициента усиления тока базы (β) n-p-n и p-n-p транзисторов буферного каскада, а также их температурной и радиационной зависимости.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе (фиг.1 - фиг.2), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного 4 и отрицательного 5 источников питания, первый 6 и второй 7 входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго 7 входного транзистора буферного каскада и базой первого 8 выходного транзистора буферного каскада, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого 6 входного транзистора буферного каскада и базой второго 9 выходного транзистора буферного каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого 6 и второго 7 входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов связаны с выходом 10 устройства.

На фиг.2 приведена обобщенная схема ОУ-прототипа, соответствующая фиг.1. На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы ОУ прототипа (фиг.4) и заявляемого устройства (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар".

На фиг.6 и фиг.7 приведены графики температурных зависимостей U_см сравниваемых ОУ фиг.3 (прототип) и фиг.4 (заявляемый ОУ).

Операционный усилитель фиг.3 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного 4 и отрицательного 5 источников питания, первый 6 и второй 7 входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго 7 входного транзистора буферного каскада и базой первого 8 выходного транзистора буферного каскада, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого 6 входного транзистора буферного каскада и базой второго 9 выходного транзистора буферного каскада. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого 6 и второго 7 входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов связаны с выходом 10 устройства.

Рассмотрим работу ОУ фиг.2 и фиг.3.

Напряжение смещения нуля ОУ фиг.2 (U_см) при идеальном входном каскаде 1, т.е. не вносящем погрешностей в усиление сигналов постоянного тока, зависит от разброса β транзисторов 6 (β₆) и 7 (β₇) и их статического режима, устанавливаемого двухполюсниками 11 (I₁₁) и 12 (I₁₂) (I₁₂=I₁₁=I₀):

где , - токи базы транзисторов 6 и 7,

- крутизна преобразования входного напряжения ОУ фиг.2 в выходной ток узла «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину.

При воздействии радиации или температуры β n-p-n и р-n-р транзисторов 6 и 7 существенно деградируют. Причем они изменяются по разным законам. Как следствие, ОУ-прототип имеет повышенные значения U_см и его дрейфа даже при идеальном входном каскаде и особенно при больших разбросах β.

В предлагаемом ОУ фиг.3 разностный ток в узле «А»

где I_к13, I_к14 - коллекторные токи транзисторов 13 и 14.

После преобразования (2) можно найти:

Так как для транзисторов одного типа проводимости β₁₃=β₇, β₆=β₁₄, причем эти параметры изменяются (при температурных и радиационных воздействиях) по одинаковым законам, то в (5) I_р≈0 и поэтому U_см≈0.

Данные выводы подтверждены графиками фиг.6 и фиг.8, из которых следует, что заявляемая схема ОУ имеет более чем в 10 раз меньшие значения напряжения смещения нуля.

Замечательная особенность предлагаемого ОУ состоит в том, что при введении новых элементов максимально возможная амплитуда его выходного напряжения отличается (так же как и у прототипа) от напряжения питания не более чем на 1÷1,2 В. Это весьма существенное достоинство схемы при малых .

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется более высокими качественными показателями.

Источники информации

1. Патент США №6281752, fig.5a.

2. Патент США №6304143, fig.3.

3. Патент США №5786729, fig.1.

4. Патент США №6268769, fig.3.

5. Патент США №5128631.

6. Патент США №5374897, fig.7.

7. Патент США №4837523, fig.2.

8. А. С. СССР №1506512.

9. Патент США №5512859.

10. Патент США №5627495.

Прецизионный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного (4) и отрицательного (5) источников питания, первый (6) и второй (7) входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый (8) и второй (9) выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом (10) устройства, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго (7) входного транзистора буферного каскада и базой первого (8) выходного транзистора буферного каскада, второй (12) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого (6) входного транзистора буферного каскада и базой второго (9) выходного транзистора буферного каскада, отличающийся тем, что в схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого (6) и второго (7) входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (14) дополнительного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с выходом (10) устройства.