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 прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: уменьшение абсолютного значения Uсм и его температурного дрейфа. Дифференциальный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, токовое зеркало (4), вход которого соединен с первым (2) токовым выходом входного ДК (1), а выход связан с базой входного транзистора (5) буферного усилителя (БУ) (6), первый (7) вспомогательный транзистор, база которого связана с выходом токового зеркала (4), второй (8) вспомогательный транзистор, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник (ТД). Коллектор первого (7) вспомогательного транзистора соединен со входом токового зеркала (4), эмиттер связан с базой второго (8) вспомогательного транзистора, коллектор второго вспомогательного транзистора (8) соединен с выходом токового зеркала (4), а эмиттер связан с первым ТД (9), причем эмиттер входного транзистора (5) БУ (6) подключен ко второму ТД (10), а тип проводимости входного транзистора (5) БУ (6) совпадает с типом проводимости второго (8) вспомогательного транзистора. 3 з.п. ф-лы, 9 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 прецизионных 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 ОУ с простейшей двухкаскадной архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются IP-модули систем на кристалле, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ОУ.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ, фиг.1, представленная в патенте США №4366442, fig.2, которая в различных модификациях присутствует также в большом числе других патентов и монографий [1-11].

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

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см и его температурного 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, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 вспомогательный транзистор, база которого связана с выходом токового зеркала 4, второй 8 вспомогательный транзистор, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 7 вспомогательного транзистора соединен со входом токового зеркала 4, эмиттер связан с базой второго 8 вспомогательного транзистора, коллектор второго вспомогательного транзистора 8 соединен с выходом токового зеркала 4, а эмиттер связан с первым токостабилизирующим 9 двухполюсником, причем эмиттер входного транзистора 5 буферного усилителя 6 подключен ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику, а тип проводимости входного транзистора 5 буферного усилителя 6 совпадает с типом проводимости второго 8 вспомогательного транзистора.

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

На фиг.3 показана схема ОУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (фиг.4) и заявляемого ОУ (фиг.5) 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 при отсутствии в схеме фиг.5 транзистора терморадиационной компенсации 14 (см. фиг.2).

На фиг.7 приведены графики зависимости U_см от температуры для схем фиг.4 и фиг.5 с транзистором (фиг.5) терморадиационной компенсации 14 (см. фиг.2).

На фиг.8 показана схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования Pspice, а на фиг.9 - графики температурной зависимости U_см схем фиг.4 и фиг.8.

Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 вспомогательный транзистор, база которого связана с выходом токового зеркала 4, второй 8 вспомогательный транзистор, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник. Коллектор первого 7 вспомогательного транзистора соединен со входом токового зеркала 4, эмиттер связан с базой второго 8 вспомогательного транзистора, коллектор второго вспомогательного транзистора 8 соединен с выходом токового зеркала 4, а эмиттер связан с первым токостабилизирующим 9 двухполюсником, причем эмиттер входного транзистора 5 буферного усилителя 6 подключен ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику, а тип проводимости входного транзистора 5 буферного усилителя 6 совпадает с типом проводимости второго 8 вспомогательного транзистора.

На фиг.2 буферный усилитель 6 содержит, кроме транзистора 5, двухполюсник 10, а входной дифференциальный каскада 1 реализован на транзисторах 11, 12 и двухполюснике 13.

Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 14, коллектор и база которого подключены к выходу токового зеркала 4. Эмиттер в частных случаях может иметь несколько вариантов включения.

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, второй 8 вспомогательный транзистор содержит первый и второй коллекторы, причем его первый коллектор соединен с выходом токового зеркала 4, а второй коллектор подключен к эмиттеру входного транзистора 5 буферного усилителя 6. Это позволяет иметь при температурно-зависимых двухполюсниках 13, 9 и 10 высокую стабильность U_см.

Кроме этого на фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, второй токовый выход 3 входного дифференциального каскада 1 связан с шиной источника питания 14 и общим выходом 15 токового зеркала 4 через цепь смещения потенциалов 16.

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 токи двухполюсников 9 и 10 - величине I₀(I₉=I₁₀=I₀), то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:

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

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

Поэтому входной (I_вх.4) и выходной (I_вых.4) токи токового зеркала 4

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

где I_БУ=I_б.р - ток базы n-p-n транзистора 5 буферного усилителя 6.

Подставляя (1)÷(5) в (6) находим, что разностный ток, определяющий U_см, равен нулю:

Как следствие, при I_p=0 не требуется смещения нуля ОУ1 фиг.2 на величину U_см, подача которого на его входы Вх.^(-)1, Вх.⁽⁺⁾2 компенсирует разностный ток I_p в узле «А».

Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной (3 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_см ОУ в выходной ток узла «А»:

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

Поэтому для схем фиг.1 - фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

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

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

Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6, фиг.7) данные теоретические выводы.

Для минимизации U_см при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.2 предусмотрен транзистор 14, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n переход транзистора 7. Это уменьшает производную dU_cм/dT при t°>80°C (фиг.7).

В схеме фиг.8, соответствующей схеме фиг.3, статический режим транзистора 5 устанавливается не только двухполюсником 10, но и коллекторным током транзистора 8 (фиг.3). Это уменьшает влияние температурного дрейфа U_см, вызванное нестабильностью токов I₁₃ и I₉.

Графики фиг.9 показывают, что в сравнении с прототипом фиг.4 схема фиг.8 обладает более высокой стабильностью нуля.

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

Литература

1. Патент США №4415868, fig.3.

2. Патент ФРГ №2928841, fig.3.

3. Патент JP №54-34589, кл. 98 (5) А014.

4. Патент JP №154-1022, кл. H03F 3/45.

5. Патент JP №54-102949, кл. 98 (5) А21.

6. Патент США №4366442, fig.2.

7. Патент США №6426678.

8. Патентная заявка 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).

1. Дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, токовое зеркало, вход которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, а выход связан с базой входного транзистора буферного усилителя, первый вспомогательный транзистор, база которого связана с выходом токового зеркала, второй вспомогательный транзистор, первый токостабилизирующий двухполюсник, отличающийся тем, что коллектор первого вспомогательного транзистора соединен со входом токового зеркала, эмиттер связан с базой второго вспомогательного транзистора, коллектор второго вспомогательного транзистора соединен с выходом токового зеркала, а эмиттер связан с первым токостабилизирующим двухполюсником, причем эмиттер входного транзистора буферного усилителя подключен ко второму токостабилизирующему двухполюснику, а тип проводимости входного транзистора буферного усилителя совпадает с типом проводимости второго вспомогательного транзистора.

2. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в схему введен транзистор терморадиационной компенсации, коллектор и база которого подключены к выходу токового зеркала.

3. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что второй вспомогательный транзистор содержит первый и второй коллекторы, причем его первый коллектор соединен с выходом токового зеркала, а второй коллектор подключен к эмиттеру входного транзистора буферного усилителя.

4. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что второй токовый выход входного дифференциального каскада связан с шиной источника питания общим выходом токового зеркала через цепь смещения потенциалов.