Дифференциальный операционный 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, в компараторах и решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля). Технический результат: уменьшение абсолютного значения U_см, а также его температурного и радиационного дрейфа. Дифференциальный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, токовое зеркало (4), буферный усилитель (5), входной транзистор (6) которого связан с его входом, первый (7) токостабилизирующий двухполюсник. В схему введен первый (8) дополнительный транзистор, эмиттер которого подключен к первому (7) токостабилизирующему двухполюснику, база связана с эмиттером входного транзистора (6) буферного усилителя (5), выходом устройства и вторым (9) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к выходу токового зеркала (4), второй выход (2) входного ДК (1) соединен с выходом токового зеркала (4) и базой входного транзистора (6) буферного усилителя (5), причем второй (3) токовый выход входного ДК (1) соединен с выходом дополнительной цепи согласования потенциалов (10). 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, в компараторах и решающих усилителях с малыми значениями эдс 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 №4415868 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).

Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см), зависящей от свойств его архитектуры.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см, 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, токовое зеркало 4, буферный усилитель 5, входной транзистор 6 которого связан с его входом, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый дополнительный транзистор 8, эмиттер которого подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику база связана с эмиттером входного транзистора 6 буферного усилителя 5, выходом устройства, и вторым дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 9, коллектор подключен к выходу токового зеркала 4, второй выход 2 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом токового зеркала 4 и базой входного транзистора 6 буферного усилителя 5, причем второй токовый выход 3 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом дополнительной цепи согласования потенциалов 10.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На фиг.3 и 4 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.3 и 4.

Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, буферный усилитель 5, входной транзистор 6 которого связан с его входом, первый токостабилизирующий двухполюсник 7. В схему введен первый дополнительный транзистор 8, эмиттер которого подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 7, база связана с эмиттером входного транзистора 6 буферного усилителя 5, выходом устройства и вторым дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 9, коллектор подключен к выходу токового зеркала 4, второй выход 2 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом токового зеркала 4 и базой входного транзистора 6 буферного усилителя 5, причем второй токовый выход 3 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом дополнительной цепи согласования потенциалов 10.

Кроме этого на фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 11, 12 и двухполюснике 13.

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

Если ток двухполюсника 13 равен величине 2I₀, а двухполюсника 7 - величине I₀, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:

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

I_вх.4=I_вых.4 - входной и выходной токи токового зеркала 4;

β_i - коэффициент усиления по току базы транзисторов.

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

где I_б.6≈0 - ток базы входного транзистора 6.

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (5) уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_p в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u_вх в выходной ток узла «А»:

где r_э12=r_э11 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 12 и 11 входного дифференциального каскада 1.

Поэтому для схемы фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ОУ -прототипе I_p≠0, поэтому здесь систематическая составляющая

U_см получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.

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

Включение дополнительной цепи согласования потенциалов 10 способствует симметрированию режимов работы входного дифференциального каскада 1, повышению стабильности U_см. В качестве цепи согласования потенциалов могут использоваться резистивно-диодные делители напряжения питания, каскодные усилители и т.п.

Замечательная особенность заявляемого ОУ - взаимная компенсация в узле А паразитных токов через емкости коллектор-база транзисторов 12 и 8. Это расширяет частотный диапазон ОУ при работе в схемах со 100% обратной связью.

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 №4415868 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 №4366442 fig.2.

7. Патент США №6426678.

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

9. Патент США №6531920, fig.4.

10. Патент США №4262261.

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

Дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, токовое зеркало (4), буферный усилитель (5), входной транзистор (6) которого связан с его входом, первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, отличающийся тем, что в схему введен первый (8) дополнительный транзистор, эмиттер которого подключен к первому (7) токостабилизирующему двухполюснику, база связана с эмиттером входного транзистора (6) буферного усилителя (5), выходом устройства, и вторым (9) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к выходу токового зеркала (4), второй выход (2) входного дифференциального каскада (1) соединен с выходом токового зеркала (4) и базой входного транзистора (6) буферного усилителя (5), причем второй (3) токовый выход входного дифференциального каскада (1) соединен с выходом дополнительной цепи согласования потенциалов (10).