Дифференциальный операционный усилитель



Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель
Дифференциальный операционный усилитель

 


Владельцы патента RU 2412539:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

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 компараторах и решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат - уменьшение абсолютного значения Uсм, а также его температурного и радиационного дрейфа. Дифференциальный операционный усилитель (ДОУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами и входом (4) общей эмиттерной цепи, первый вспомогательный транзистор (Т) (5), коллектор которого подключен ко входу (4) общей эмиттерной цепи ДК (1), а база связана с цепью смещения потенциалов (6) и базой второго (7) вспомогательного Т, токовое зеркало (8), вход которого связан с первым (2) токовым выходом ДК (1), а выход подключен к базе входного Т (9) буферного усилителя (10) и к коллектору Т (7). В схему введены первый (11), второй (12) и третий (13) дополнительные Т, базы первого Т (11) и второго Т (12) соединены с эмиттером Т (5) и первым (14) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником (ТД), коллектор Т (11) соединен с эмиттером Т (7), а эмиттер через второй ТД (15) связан с шиной источника питания (16), коллектор Т (12) соединен с эмиттером Т (13), а эмиттер через третий ТД (17) соединен с шиной источника питания (16), коллектор Т (13) связан с эмиттером Т (9) и выходом ДОУ, а база соединена с цепью смещения потенциалов (6). 1 з.п.ф-лы, 10 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 компараторах и решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.

Особое место занимают дифференциальные операционные усилители (ОУ) с активной нагрузкой, обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем. Такие ОУ имеют одноканальную структуру передачи сигнала по цепи общей отрицательной обратной связи и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ.

Предлагаемое изобретение относится к классу ОУ на базе несимметричных входных каскадов [1-11], которые до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ, фиг.1, представленная в патенте США №4.415.868 fig.3, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов токовые зеркала с несимметричным включением (по отношению к входному каскаду). Это одна из перспективных архитектур ОУ, так как она обеспечивает (при минимально возможной сложности) получение двуполярных амплитуд выходного напряжения, близких к напряжениям питания

Существенный недостаток известного ОУ, фиг.1, состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), связанной с несимметрией его архитектуры.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм, а также его температурного и радиационного дрейфа.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами и входом 4 общей эмиттерной цепи, первый вспомогательный транзистор 5, коллектор которого подключен ко входу 4 общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1, а база связана с цепью смещения потенциалов 6 и базой второго 7 вспомогательного транзистора, токовое зеркало 8, вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен к базе входного транзистора 9 буферного усилителя 10 и к коллектору второго 7 вспомогательного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11, второй 12 и третий 13 дополнительные транзисторы, базы первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора и первым 14 дополнительным двухполюсником, коллектор первого 11 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 7 вспомогательного транзистора, а эмиттер через второй 15 дополнительный двухполюсник связан с шиной источника питания 16, коллектор второго 12 дополнительного транзистора соединен с эмиттером третьего 13 дополнительного транзистора, а эмиттер через третий 17 дополнительный двухполюсник соединен с шиной источника питания 16, коллектор третьего 13 дополнительного транзистора связан с эмиттером входного транзистора 9 буферного усилителя 10 и выходом устройства, а база соединена с цепью смещения потенциалов 6.

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

Схема ОУ, соответствующая п.2 формулы изобретения, показана на фиг.3.

На фиг.4 представлена модифицированная схема ОУ, фиг.3.

На фиг.5 и фиг.6 показаны схемы дифференциального ОУ-прототипа (фиг.5) и заявляемого ОУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при идентичных токах двухполюсников I1=I2=I3=I4=1 мА.

На фиг.8 и фиг.9 приведены схемы известного (фиг.8) и заявляемого (фиг.9) ОУ в среде PSpice для случая, когда ток двухполюсника I3=1,5 мА.

На фиг.10 приведены результаты компьютерного моделирования Uсм схем на фиг.8 и фиг.9.

Дифференциальный операционный усилитель, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами и входом 4 общей эмиттерной цепи, первый вспомогательный транзистор 5, коллектор которого подключен ко входу 4 общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1, а база связана с цепью смещения потенциалов 6 и базой второго 7 вспомогательного транзистора, токовое зеркало 8, вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен к базе входного транзистора 9 буферного усилителя 10 и к коллектору второго 7 вспомогательного транзистора. В схему введены первый 11, второй 12 и третий 13 дополнительные транзисторы, базы первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора и первым 14 дополнительным двухполюсником, коллектор первого 11 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 7 вспомогательного транзистора, а эмиттер через второй 15 дополнительный двухполюсник связан с шиной источника питания 16, коллектор второго 12 дополнительного транзистора соединен с эмиттером третьего 13 дополнительного транзистора, а эмиттер через третий 17 дополнительный двухполюсник соединен с шиной источника питания 16, коллектор третьего 13 дополнительного транзистора связан с эмиттером входного транзистора 9 буферного усилителя 10 и выходом устройства, а база соединена с цепью смещения потенциалов 6.

Кроме этого на фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в схему введен четвертый дополнительный транзистор 20, коллектор которого связан со входом 4 общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1, база связана с цепью смещения потенциалов 6, эмиттер подключен к эмиттеру первого 5 вспомогательного транзистора, причем первый дополнительный двухполюсник 14 выполнен в виде двух вспомогательных токостабилизирующих двухполюсников 21 и 22.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля Uсм в схеме на фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.

Если ток двухполюсника 14 равен величине 2I0, а двухполюсников 15 и 17 - величине I0, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:

где Iб.i=Iэ.ii - ток базы n-p-n (Iб.р) или р-n-р (Iб.n) транзисторов при эмиттерном токе Iэ.i=I0;

Iвх.8=Iвых.8 - входной и выходной токи токового зеркала 8;

βi - коэффициент усиления по току базы транзисторов.

Поэтому разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину

где Iб.9=Iб.р - ток базы транзистора 9.

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (8) уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Iр в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения uвх в выходной ток узла «А»:

где rэ18=rэ19 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 18 и 19 входного дифференциального каскада 1. Поэтому для схемы на фиг.2

где φт=26 мВ - температурный потенциал.

В ОУ-прототипе Ip≠0, поэтому здесь систематическая составляющая Uсм получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.

Введение транзистора 20 обеспечивает температурную и радиационную компенсацию дрейфа токов на подложку транзисторов 7 и 11.

Компьютерное моделирование схем на фиг.5, фиг.6, фиг.8, фиг.9 подтверждает (фиг.7, фиг.10) данные теоретические выводы.

Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий предлагаемый ОУ и в этих условиях имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей современных систем на кристалле.

Библиографический список

1. Патент США №4.415.868, fig.3.

2. Патент ФРГ №2928841, fig.3.

3. Патент Японии JP 54-34589, кл. 98 (5) А014.

4. Патент Японии JP 154-10221, кл. H03F 3/45.

5. Патент Японии JP 54-102949, кл. 98(5) А21.

6. Патент США №4.366.442, fig.2.

7. Патент США №6.426.678.

8. Патентная заявка США 2007/0152753, fig.5c.

9. Патент США №6.531.920, fig.4.

10. Патент США №4.262.261.

11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП Радиософт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).

1. Дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами и входом (4) общей эмиттерной цепи, первый вспомогательный транзистор (5), коллектор которого подключен ко входу (4) общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада (1), а база связана с цепью смещения потенциалов (6) и базой второго (7) вспомогательного транзистора, токовое зеркало (8), вход которого связан с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а выход подключен к базе входного транзистора (9) буферного усилителя (10) и к коллектору второго (7) вспомогательного транзистора, отличающийся тем, что в схему введены первый (11), второй (12) и третий (13) дополнительные транзисторы, базы первого (11) и второго (12) дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого (5) вспомогательного транзистора и первым (14) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор первого (11) дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго (7) вспомогательного транзистора, а эмиттер - через второй (15) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан с шиной источника питания (16), коллектор второго (12) дополнительного транзистора соединен с эмиттером третьего (13) дополнительного транзистора, а эмиттер - через третий (17) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной источника питания (16), коллектор третьего (13) дополнительного транзистора связан с эмиттером входного транзистора (9) буферного усилителя (10) и выходом устройства, а база - соединена с цепью смещения потенциалов (6).

2. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в схему введен четвертый дополнительный транзистор (20), коллектор которого связан со входом (4) общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада (1), база связана с цепью смещения потенциалов (6), эмиттер - подключен к эмиттеру первого (5) вспомогательного транзистора, причем первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (14) выполнен в виде двух вспомогательных токостабилизирующих двухполюсников (21) и (22).



 

Похожие патенты:

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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с.

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 компараторах и решающих усилителях с малыми значениями э.д.с.

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.).

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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с.

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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями эдс 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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с.

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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями эдс 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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с.

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 операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс 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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями эдс 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 компараторах и решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля)

Изобретение относится к области радиотехники и связи для усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ операционных усилителях (ОУ), компараторах)

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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах)

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 компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с

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 решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля Uсм в условиях воздействия радиации или температуры)

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

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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах)

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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах)

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 (ОУ), компараторах)

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 компараторах и решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля)
Наверх