Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением 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 операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: уменьшение абсолютного значения U_см и его температурного дрейфа. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к коллектору первого (3) вспомогательного транзистора, второй (4) вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым (5) источником питания, база соединена с эмиттером первого (3) вспомогательного транзистора, а коллектор связан с первым (6) источником опорного тока, вспомогательный p-n-переход (7), включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго (4) вспомогательного транзистора, первое токовое зеркало (8), вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, общий эмиттерный выход связан со вторым (9) источником питания, а коллекторный выход связан со входом второго (10) токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен к первому (5) источнику питания, третье токовое зеркало (11), вход которого связан с коллектором второго (2) входного транзистора, общий эмиттерный выход подключен ко второму (9) источнику питания, а коллекторный выход соединен с коллекторным выходом второго (10) токового зеркала и базой выходного транзистора (12), эмиттер выходного транзистора (12) соединен с выходом устройства (13) и через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник подключен к первому (5) источнику питания. В схему введен дополнительный транзистор (15), эмиттер которого соединен с базой первого (3) вспомогательного транзистора, база подключена к коллектору второго (4) вспомогательного транзистора, а коллектор связан с коллектором второго (2) входного транзистора. 1 з.п. ф-лы, 6 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, прецизионных аналоговых интерфейсах с малыми значениями э.д.с. смещения нуля и т.п.).

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

Известны схемы двухкаскадных операционных усилителей на основе трех токовых зеркал и выходного эмиттерного повторителя, которые стали основой многих серийных микросхем (КР1427УД1, NE5517, СА3078, МА2700, LM13600 и др.). Однако они характеризуются сравнительно большими уровнями напряжения смещения нуля (U_см). Так для микросхемы КР1427УД1 в соответствии с ее паспортными данными U_см≈5 мВ. Во многих случаях это неприемлемо и поэтому в практические схемы на основе таких ОУ включается внешняя регулировка U_см или лазерная подгонка резисторов для минимизации U_см при одной (Т₀) или нескольких температурах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому схемотехническому решению является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в справочнике «Операционные усилители и компараторы» (М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.225, ОУ КР1427 УД1), которая также присутствует в большом числе других патентов и литературных источников, например, [2-12].

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

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см и его температурного дрейфа.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, второй 4 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 5 источником питания, база соединена с эмиттером первого 3 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с первым 6 источником опорного тока, вспомогательный р-n-переход 7, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 4 вспомогательного транзистора, первое токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход связан со вторым 9 источником питания, а коллекторный выход связан со входом второго 10 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен к первому 5 источнику питания, третье токовое зеркало 11, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, общий эмиттерный выход подключен ко второму 9 источнику питания, а коллекторный выход соединен с коллекторным выходом второго 10 токового зеркала и базой выходного транзистора 12, эмиттер выходного транзистора 12 соединен с выходом устройства 13 и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первому 5 источнику питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 15, эмиттер которого соединен с базой первого 3 вспомогательного транзистора, база подключена к коллектору второго 4 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с коллектором второго 2 входного транзистора.

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

Схема фиг.3 соответствует п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа, а на фиг.5 - заявляемого ДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.4, фиг.5.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, второй 4 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 5 источником питания, база соединена с эмиттером первого 3 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с первым 6 источником опорного тока, вспомогательный р-n-переход 7, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 4 вспомогательного транзистора, первое токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход связан со вторым 9 источником питания, а коллекторный выход связан со входом второго 10 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен к первому 5 источнику питания, третье токовое зеркало 11, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, общий эмиттерный выход подключен ко второму 9 источнику питания, а коллекторный выход соединен с коллекторным выходом второго 10 токового зеркала и базой выходного транзистора 12, эмиттер выходного транзистора 12 соединен с выходом устройства 13 и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первому 5 источнику питания. В схему введен дополнительный транзистор 15, эмиттер которого соединен с базой первого 3 вспомогательного транзистора, база подключена к коллектору второго 4 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с коллектором второго 2 входного транзистора.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 16, коллектор которого подключен ко входу первого 8 токового зеркала, а объединенные эмиттер и база соединены с первым 5 источником питания.

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

Если ток двухполюсника 6 равен величине 2I₀, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4, 3, 15, 1, 2, 12:

где I_б.р=I_э.i/β_i - ток базы n-p-n-транзисторов 1, 2, 3, 4, 12 при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы n-p-n-транзисторов.

Входной I_вх и выходной I_вых токи токовых зеркал 8, 11 и 10

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

где I_б.12=2I_б.р - ток базы n-p-n-транзистора 12.

Подставляя (1)-(9) в (10), находим, что разностный ток, определяющий U_см

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (10) 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_р в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u_вх ОУ в выходной ток узла «А»:

где r_э1=r_э2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2.

Поэтому для схемы фиг.3

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ОУ-прототипе I_p≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается на порядок больше (U_см=1119 мкВ), чем в заявляемой схеме (U_см=34,8 мкВ).

Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6) данные теоретические выводы.

Для минимизации U_см при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.3 предусмотрен транзистор 16, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n-переход на подложку (фиг.5), который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n-переход транзистора 15 (фиг.5). Это существенно уменьшает производную dU_см/dT при t°>80°С.

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

Источники информации

1. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.225.

2. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е.Полонников. - М., 1983. - С.203.

3. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.106 (ОУ СА3078).

4. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.2.12.

5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст]: Пер. с нем. / П.Шкритек - М.: Мир, 1991. - С.96, рис.8.2.1.

6. Патент США №3.982.197.

7. Патент США №4.799.026.

8. Патентная заявка США №2006/0006910.

9. Патент США №4.361.815.

10. Патент США №5.371.476.

11. Патентная заявка США 2008/0032656.

12. Патент США №3.921.090 fig.1.

1. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к коллектору первого (3) вспомогательного транзистора, второй (4) вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым (5) источником питания, база соединена с эмиттером первого (3) вспомогательного транзистора, а коллектор связан с первым (6) источником опорного тока, вспомогательный р-n-переход (7), включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго (4) вспомогательного транзистора, первое токовое зеркало (8), вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, общий эмиттерный выход связан со вторым (9) источником питания, а коллекторный выход связан со входом второго (10) токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен к первому (5) источнику питания, третье токовое зеркало (11), вход которого связан с коллектором второго (2) входного транзистора, общий эмиттерный выход подключен ко второму (9) источнику питания, а коллекторный выход соединен с коллекторным выходом второго (10) токового зеркала и базой выходного транзистора (12), эмиттер выходного транзистора (12) соединен с выходом устройства (13) и через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник подключен к первому (5) источнику питания, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (15), эмиттер которого соединен с базой первого (3) вспомогательного транзистора, база подключена к коллектору второго (4) вспомогательного транзистора, а коллектор связан с коллектором второго (2) входного транзистора.

2. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля по п.1, отличающийся тем, что в схему введен транзистор терморадиационной компенсации (16), коллектор которого подключен ко входу первого (8) токового зеркала, а объединенные эмиттер и база соединены с первым (5) источником питания.