Прецизионный операционный усилитель



Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель
Прецизионный операционный усилитель

 


Владельцы патента RU 2449466:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

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 (Uсм) 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 (Uсм), связанной с несимметрией его архитектуры.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм, 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 Uсм 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 Uсм 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 (Uсм) 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 (Iэi) и коллекторов (Iкi) транзисторов схемы, а также токи p-n переходов 6 (I6) и 17 (I17):

где Iбi=Iэii - ток базы n-p-n (Iбр) или p-n-p (Iбn) транзисторов при эмиттерном токе Iэi=I0;

βi - 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 IБУ=xpIбр-xnIбn;

xp, xn - масштабные коэффициенты противоположно направленных составляющих (Iбр, Iбn) входного тока IБУ 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 хn=3, xp=x1-1 уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью (xp≈0). Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Iр в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны (S) преобразования входного дифференциального напряжения ОУ (uвх) в выходной ток узла «А»:

где rэ14=rэ15 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 14 и 15 входного дифференциального каскада 1.

Поэтому для схемы фиг.2

где φт=26 мВ - температурный потенциал.

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

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



 

Похожие патенты:

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 прецизионных интерфейсах, компараторах и т.п.).

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, мостовых усилителях мощности, фильтрах, компараторах т.п.).

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, решающих усилителях, фильтрах, компараторах т.п.).

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, решающих усилителях с малыми значениями э.д.с.

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, мостовых усилителях мощности, фильтрах, компараторах т.п.).

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 э.д.с.

Изобретение относится к области электротехники и связи и может быть использовано в структурах различных устройств преобразования несимметричных сигналов, в линейных и нелинейных преобразователях и драйверах, источниках вторичного электропитания и стабилизаторах напряжения.

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 операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.) с малым напряжением питания.

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 операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.) с малым напряжением питания.

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 операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в структуре радиоприемных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в структуре радиоприемных устройств ВЧ и СВЧ диапазонов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения

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 прецизионных интегральных и решающих усилителях, компараторах и т.п.)

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов и аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в компараторах, прецизионных решающих и инструментальных усилителях с малыми значениями статической погрешности и т.п.)

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в структуре радиоприемных устройств ВЧ- и СВЧ-диапазонов

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, мостовых усилителях мощности, драйверах дифференциальных линий связи, фильтрах, компараторах т.п.)

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ-усилителях, фазорасщепителях сигналов и т.п.)

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, SiGe-операционных усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.)

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения
Наверх