Каскодный дифференциальный 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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: уменьшение напряжения смещения нуля U_см, а также его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий. Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1), первый (2) и второй (3) токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов (Т) с объединенными базами, первый (6) и второй (7) выходные Т, базы которых подключены к цепи смещения потенциалов (8), а эмиттеры связаны с шиной источника питания (9) через первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого Т (6) соединен с коллектором первого Т (4), эмиттер второго Т (7) соединен с коллектором второго Т (5), коллектор первого Т (6) подключен ко входу токового зеркала (12), а коллектор второго Т (7) связан с выходом токового зеркала (12) и соединен с базой входного Т (13) буферного усилителя (14). Базы первого Т (4) и второго Т (5) связаны с эмиттером первого Т (6), а входной Т (13) буферного усилителя (14) имеет такой же тип проводимости, что и первый Т (4) и также второй Т (5). 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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ на базе «перегнутых» каскодов [1-18], получившие широкое применение в микроэлектронных изделиях. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема фиг.1, представленная в патентной заявке США 2007/0069815, которая также присутствует в других патентах [1-18].

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U_см.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля U_см, а также его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий.

Поставленная задача достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (КДУ) фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых подключены к цепи смещения потенциалов 8, а эмиттеры связаны с шиной источника питания 9 через первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с коллектором первого 4 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с коллектором второго 5 вспомогательного транзистора, коллектор первого 6 выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала 12, а коллектор второго 7 выходного транзистора связан с выходом токового зеркала 12 и соединен с базой входного транзистора 13 буферного усилителя 14, предусмотрены новые элементы и связи - базы первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов связаны с эмиттером первого 6 выходного транзистора, а входной транзистор 13 буферного усилителя 14 имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и также второй 5 вспомогательные транзисторы.

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

На фиг.3 показана схема фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения и конкретным выполнением буферного усилителя 14.

На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы КДУ - прототипа (фиг.4) и заявляемого КДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.6 показаны результаты компьютерного моделирования схем фиг.4 и фиг.5 - зависимость напряжения смещения нуля U_см от температуры.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых подключены к цепи смещения потенциалов 8, а эмиттеры связаны с шиной источника питания 9 через первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с коллектором первого 4 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с коллектором второго 5 вспомогательного транзистора, коллектор первого 6 выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала 12, а коллектор второго 7 выходного транзистора связан с выходом токового зеркала 12 и соединен с базой входного транзистора 13 буферного усилителя 14. Базы первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов связаны с эмиттером первого 6 выходного транзистора, а входной транзистор 13 буферного усилителя 14 имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и также второй 5 вспомогательные транзисторы. Статический режим входного транзистора 13 устанавливается двухполюсником 15. Дифференциальный каскад 1 выполнен на основе транзисторов 16, 17 и двухполюсника 18.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения в схему введен неинвертирующий повторитель тока 19 на основе транзистора, включенного по схеме с общей базой, коллектор которого подключен к эмиттеру первого 4 выходного транзистора.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.2.

Если токи двухполюсников 18, 10, 11, 15 равны величине 2I₀, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4 и 5, 6 и 7:

где I_б.i=I_э.i/β_i - ток базы 1-го n-р-n (I_б.р) или p-n-p (I_б.n) транзистора при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.

Поэтому входной (I_вх.12) и выходной (I_вых.12) токи токового зеркала 12

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

где I_БУ=2I_б.p - ток базы входного n-р-n транзистора 13 буферного усилителя 14.

Подставляя (1)÷(10) в (11), находим, что разностный ток, определяющий U_см КДУ:

Как следствие, при I_p=0 не требуется смещения нуля КДУ фиг.2 на величину U_см, подача которого на его входы Bx.⁽⁺⁾1, Bx.^(-) ₂ компенсирует разностный ток I_p в узле «А».

Таким образом, в заявляемом устройстве 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 преобразования входного дифференциального напряжения u_вх КДУ в выходной ток узла «А»:

где r_э16=r_э17 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 16 и 17 входного дифференциального каскада 1.

Поэтому для схем фиг.1 - фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В КДУ-прототипе фиг.1 I_p≠0. Поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается более чем на несколько порядков больше (U_см=-1,26 мВ), чем в заявляемой схеме (U_см=1,5 мкВ) (фиг.6).

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

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.091.701, fig.1

2. Патент США №6.448.853, fig.6

3. Патент США №6.529.076

4. Патент США №5.327.100, fig.2

5. Патентная заявка США 2002/0196079, fig.1

6. Патент США №5.734.296, fig.3

7. Патентная заявка США 2003/0090321, fig.8

8. Патент США №6.710.654

9. Патент США №6.483.382, fig.2

10. Патентная заявка США 2006/0202762

11. Патент США №5.140.280, fig.1

12. Патент США №4.600.893, fig.7

13. Патент США №6.788.143

14. Патент США №6.734.720, fig.14

15. Патентная заявка США 2008/0186091, fig.4

16. Патентная заявка США 2007/0069815

17. Патент США №6.304.143, fig.3

18. Патент Англии GB 2035003

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, первый и второй токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого и второго вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый и второй выходные транзисторы, базы которых подключены к цепи смещения потенциалов, а эмиттеры связаны с шиной источника питания через первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого выходного транзистора соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора, эмиттер второго выходного транзистора соединен с коллектором второго вспомогательного транзистора, коллектор первого выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала, а коллектор второго выходного транзистора связан с выходом токового зеркала и соединен с базой входного транзистора буферного усилителя, отличающийся тем, что базы первого и второго вспомогательных транзисторов связаны с эмиттером первого выходного транзистора, а входной транзистор буферного усилителя имеет такой же тип проводимости, что и первый и также второй вспомогательные транзисторы.

2. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что базы первого и второго вспомогательных транзисторов связаны с эмиттером первого выходного транзистора через неинвертирующий повторитель тока на основе транзистора, включенного по схеме с общей базой.