Прецизионный 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. Технический результат заключается в уменьшении абсолютного значения напряжения смещения нуля, а также его температурного и радиационного дрейфа. Прецизионный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, первый и второй выходные транзисторы, дополнительный транзистор, токостабилизирующий двухполюсник, дополнительный источник опорного тока, прямосмещенный p-n переход, буферный усилитель. 2 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.

В современной микроэлектронике широко используется архитектура операционных усилителей (ОУ) на основе каскодных токовых зеркал (ТЗ) с их несимметричным включением [1-5]. Такие ОУ имеют следующие достоинства:

- высокий коэффициент усиления по напряжению, что обусловлено повышенным выходным сопротивлением каскодного ТЗ;

- большой диапазон изменения выходного напряжения (опция rail-to-rail);

- хорошие частотные характеристики благодаря каскодному токовому зеркалу.

Данные преимущества реализованы в ряде серийных ОУ (154УД1, НА2700, 154УД4 и др.). Однако ОУ данного подкласса имеют сравнительно большой уровень напряжения смещения нуля (U_см) и его температурный дрейф.

Следует также отметить, что ОУ с другими вариантами построения токовых зеркал и их несимметричным включением достаточно популярны в аналоговой микросхемотехнике (WO 2002/047257, US 6.657.465, US 6.844.781, US 7.782.139 fig.5, US 4.366.442, US 4.433.302, US 4.262,261, US 2006/0012432 fig.6, US 2006/0006910 fig.11, US 2008/0032656 fig.6 и др.).

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является ОУ 154УД4, представленный в монографии В.В.Матавкина «Быстродействующие операционные усилители». - М., Радио и связь, 1989. - С.100. - Рис.6.9. Такая же архитектура представлена в работе [5], в которой, однако, выходной буферный усилитель обозначен эквивалентной нагрузкой.

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, а также его температурного и радиационного дрейфа.

Поставленная задача решается тем, что в прецизионном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первую шину питания 4, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, а база соединена с первой 4 шиной источника питания через прямосмещенный p-n переход 6, второй 7 выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого 5 выходного транзистора, а коллектор через токостабилизирующий двухполюсник 8 связан со второй 9 шиной источника питания и входом буферного усилителя 10, причем вторая 9 шина источника питания связана с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, коллектор соединен с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер связан с выходом 12 дополнительного источника опорного тока 13.

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

На чертеже фиг.3 показана схема, соответствующая п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг.5 - схема предлагаемого ОУ фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 (Транзисторы: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk1.3, ОАО "МНИПИ").

На чертеже фиг.6 показана температурная зависимость выходного напряжения U_см сравниваемых ОУ фиг.4, фиг.5. На чертеже фиг.7 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ОУ фиг.4 и фиг.5,

На чертеже фиг.8 приведена предлагаемая схема ОУ фиг.3 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 (Транзисторы: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk1.3, ОАО "МНИПИ").

На чертеже фиг.9 представлена температурная зависимость выходного напряжения U_см сравниваемых ОУ фиг.4 и фиг.8.

Прецизионный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первую шину питания 4, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, а база соединена с первой 4 шиной источника питания через прямосмещенный p-n переход 6, второй 7 выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого 5 выходного транзистора, а коллектор через токостабилизирующий двухполюсник 8 связан со второй 9 шиной источника питания и входом буферного усилителя 10, причем вторая 9 шина источника питания связана с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, коллектор соединен с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер связан с выходом 12 дополнительного источника опорного тока 13. В частном случае (фиг.2) входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 14, 15 и источнике тока 16.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с первой 4 шиной источника питания через вспомогательный p-n переход 17.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве дополнительного источника опорного тока 13 используется первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1.

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

Если ток двухполюсника 16 равен величине 2I₀, двухполюсника 13 - x₁I₀, двухполюсника 18 - величине I₀, то токи эмиттеров (I_эi) и коллекторов (I_кi) транзисторов схемы, а также токи p-n переходов 6 (I₆) и 17 (I₁₇):

где I_бi=I_эi/β_i - ток базы n-p-n (I_бр) или p-n-p (I_бn) транзисторов при эмиттерном токе I_эi=I₀;

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

x₁ - масштабный коэффициент тока двухполюсника 13.

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

где I_БУ=x_pI_бр-x_nI_бn;

x_p, x_n - масштабные коэффициенты противоположно направленных составляющих (I_бр, I_бn) входного тока I_БУ буферного усилителя 10, в качестве которого целесообразно использовать классические комплементарные эммттерные повторители (фиг.5, фиг.4).

Таким образом, как это следует из (6), в заявляемом устройстве при выполнении условия х_n=3, x_p=x₁-1 уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью (x_p≈0). 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 ОУ (u_вх) в выходной ток узла «А»:

где r_э14=r_э15 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 14 и 15 входного дифференциального каскада 1.

Поэтому для схемы фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ОУ-прототипе фиг.1 I_p≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.

Введение p-n перехода 17 обеспечивает дальнейшее уменьшение температурного дрейфа U_см за счет симметрирования статического режима по напряжению коллектор-база транзисторов 14 и 15, что ослабляет влияние на U_см внутренней обратной связи.

Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6) данные теоретические выводы. Несмотря на изменение β транзисторов вследствие внешних воздействий предлагаемый ОУ более чем в 50 раз имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип. Аналогичными свойствами обладает и схема фиг.3 (см. фиг.9).

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 прецизионных интерфейсов.

Литература

1. Патент RU 1160530.

2. Патент RU 2193273 фиг.2.

3. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.100. - Рис.6.9.

4. Матавкин В.В.. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.75. - Рис.4.16.

5. Матавкин В.В.. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.30. - Рис.2.12а.

1. Прецизионный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первую шину питания (4), первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания, а база соединена с первой (4) шиной источника питания через прямосмещенный p-n переход (6), второй (7) выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого (5) выходного транзистора, а коллектор через токостабилизирующий двухполюсник (8) связан со второй (9) шиной источника питания и входом буферного усилителя (10), причем вторая (9) шина источника питания связана с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада (1), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (11), база которого подключена к базе первого (5) выходного транзистора, коллектор соединен с первой (4) шиной источника питания, а эмиттер связан с выходом (12) дополнительного источника опорного тока (13).

2. Прецизионный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (2) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан с первой (4) шиной источника питания через вспомогательный p-n переход (17).

3. Прецизионный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного источника опорного тока (13) используется первый (2) токовый выход входного дифференциального каскада (1).