Комплементарный дифференциальный усилитель

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат: повышение статической точности - уменьшением U_см. Комплементарный дифференциальный усилитель (КДУ) содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т) с объединенными коллекторами, первый (3) и второй (4) выходные Т, базы которых объединены и соединены с токостабилизирующим двухполюсником (ТД) (5), а также первыми выводами первого (6) и второго (7) вспомогательных р-n переходов, эмиттеры первого Т (3) и второго Т (4) соединены с соответствующими эмиттерами первого Т (1) и второго Т (2), а также вторыми выводами первого (6) и второго (7) вспомогательных р-n переходов, первое токовое зеркало (ТЗ) (8), вход которого связан с коллектором первого Т (3), а выход подключен ко входу второго (9) ТЗ, третье (10) ТЗ, вход которого соединен с коллектором второго Т (4), а выход подключен к выходу второго (9) ТЗ и базе входного Т (11) буферного усилителя (12). В схему введен дополнительный Т (13), эмиттер которого соединен с коллекторами первого Т (1) и второго Т (2), база соединена со входом второго (9) ТЗ, а коллектор подключен к шине (14) источника питания, причем эмиттер входного Т (11) буферного усилителя (12) связан с дополнительным ТД (15) и выходом устройства (16), а тип проводимости входного Т (11) буферного усилителя (12) совпадает с типом проводимости Т (13). 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на n-р-n и р-n-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя µА741» [1-30] или комплементарных каскодных дифференциальных усилителей (ККДУ). На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом, стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является комплементарный каскодный дифференциальный усилитель, описанный в структуре схемы по патенту фирмы Harris (США) №5789949, фиг.1, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с эмиттерами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, третий выходной транзистор 5, эмиттер которого соединен с коллектором и базой второго выходного 4 транзистора и базой первого 3 выходного транзистора, база - подключена к первому 6 токостабилизирующему двухполюснику и связана с коллектором первого 3 выходного транзистора, а коллектор - подключен ко второму 17 токостабилизирующему двухполюснику 7 и входу 8 выходного каскада 9.

Существенный недостаток известного ККДУ состоит в том, что он имеет сравнительно большое напряжение смещения нуля (U_см).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении статической точности ККДУ - уменьшением U_см.

Поставленная задача достигается тем, что в комплементарном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными коллекторами, первый 3 и второй 4 выходные транзисторы, базы которых объединены и соединены с токостабилизирующим двухполюсником 5, а также первыми выводами первого 6 и второго 7 вспомогательных р-n переходов, эмиттеры первого 3 и второго 4 выходных транзисторов соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а также вторыми выводами первого 6 и второго 7 вспомогательных р-n переходов, первое токовое зеркало 8, вход которого связан с коллектором первого 3 выходного транзистора, а выход подключен ко входу второго 9 токового зеркала, третье токовое зеркало 10, вход которого соединен с коллектором второго 4 выходного транзистора, а выход подключен к выходу второго 9 токового зеркала и базе входного транзистора 11 буферного усилителя 12, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 13, эмиттер которого соединен с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, база соединена со входом второго 9 токового зеркала, а коллектор подключен к шине 14 источника питания, причем эмиттер входного транзистора 11 буферного усилителя 12 связан с дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 15 и выходом устройства 16, а тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости дополнительного транзистора 13.

Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы заявляемого (фиг.4) и известного (фиг.3) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.5 показаны результаты компьютерного моделирования U_см схем фиг.3 и фиг.4.

Сопоставление результатов моделирования фиг.5 позволяет определить выигрыш по систематической составляющей U_см (без учета разброса параметров элементов схемы), который дает предлагаемое техническое решение.

Комплементарный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными коллекторами, первый 3 и второй 4 выходные транзисторы, базы которых объединены и соединены с токостабилизирующим двухполюсником 5, а также первыми выводами первого 6 и второго 7 вспомогательных р-n переходов, эмиттеры первого 3 и второго 4 выходных транзисторов соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а также вторыми выводами первого 6 и второго 7 вспомогательных р-n переходов, первое токовое зеркало 8, вход которого связан с коллектором первого 3 выходного транзистора, а выход подключен ко входу второго 9 токового зеркала, третье токовое зеркало 10, вход которого соединен с коллектором второго 4 выходного транзистора, а выход подключен к выходу второго 9 токового зеркала и базе входного транзистора 11 буферного усилителя 12. В схему введен дополнительный транзистор 13, эмиттер которого соединен с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, база соединена со входом второго 9 токового зеркала, а коллектор подключен к шине 14 источника питания, причем эмиттер входного транзистора 11 буферного усилителя 12 связан с дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 15 и выходом устройства 16, а тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости дополнительного транзистора 13.

Рассмотрим работу заявляемого ККДУ фиг.2.

В статическом режиме в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи эмиттера (I_э), коллектора (I_к) и базы (I_б) транзисторов:

где I_б - ток базы транзисторов 13 и 11 при токе эмиттера I_э=I₀;

I_эi, I_кi - ток эмиттера (коллектора) транзисторов схемы.

Если выбрать токи двухполюсников 5 и 15 так, что I₅=2I₀, I₁₅=4I₀, то во входной цепи буфера 12 (узел «А») обеспечивается полная взаимная компенсация статических токов, что является необходимым условием уменьшения U_см:

В схеме ККДУ фиг.1 равенство (7) не выполняется. Это существенно ухудшает U_см и его температурный дрейф.

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется существенным преимуществом по U_см в сравнении с ККДУ-прототипом. Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде Pspice (фиг.5).

Источники информации

1. Патент США №3786362.

2. Патент США №4030044.

3. Патент США №4059808, фиг.5.

4. Патент США №4286227.

5. Авт. свид. СССР №375754, H03F 3/38.

6. Авт. свид. СССР №843164, H03F 3/30.

7. Патент США №3660773.

8. Патент США №4560948.

9. Патент РФ №2930041, H03F 1/32.

10. Патент Японии №57-5364, H03F 3/343.

11. Патент ЧССР №134845, кл. 21а² 18/08.

12. Патент ЧССР №134849, кл. 21а² 18/08.

13. Патент ЧССР №135326, кл. 21а² 18/08.

14. Патент США №4389579.

15. Патент Англии №1543361, Н3Т.

16. Патент США №5521552 (фиг.3а).

17. Патент США №4059808.

18. Патент США №5789949.

19. Патент США №4453134.

20. Патент США №4760286.

21. Авт. свид. СССР №1283946.

22. Патент РФ №2019019.

23. Патент США №4389579.

24. Патент США №4453092.

25. Патент США №3566289.

26. Патент США №4059808 (фиг.2).

27. Патент США №3649926.

28. Патент США №4714894 (фиг.1).

29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.

30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.

Комплементарный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы с объединенными коллекторами, первый (3) и второй (4) выходные транзисторы, базы которых объединены и соединены с токостабилизирующим двухполюсником (5), а также первыми выводами первого (6) и второго (7) вспомогательных р-n переходов, эмиттеры первого (3) и второго (4) выходных транзисторов соединены с соответствующими эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, а также вторыми выводами первого (6) и второго (7) вспомогательных р-n переходов, первое токовое зеркало (8), вход которого связан с коллектором первого (3) выходного транзистора, а выход подключен ко входу второго (9) токового зеркала, третье токовое зеркало (10), вход которого соединен с коллектором второго (4) выходного транзистора, а выход подключен к выходу второго (9) токового зеркала и базе входного транзистора (11) буферного усилителя (12), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (13), эмиттер которого соединен с коллекторами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, база соединена со входом второго (9) токового зеркала, а коллектор подключен к шине (14) источника питания, причем эмиттер входного транзистора (11) буферного усилителя (12) связан с дополнительным токостабилизирующим двухполюсником (15) и выходом устройства (16), а тип проводимости входного транзистора (11) буферного усилителя (12) совпадает с типом проводимости дополнительного транзистора (13).