Устройство для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении стабильности выходных токов устройства компенсации. Такой результат достигается тем, что устройство для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах содержит первый и второй компенсирующие транзисторы, эмиттеры которых соединены друг с другом и связаны с источником тока, дифференциальный каскад на биполярных транзисторах с первым и вторым входами, связанными с коллекторами соответствующих первого и второго компенсирующих транзисторов, первый и второй закрытые изолирующие p-n переходы на подложку первого и второго компенсирующих транзисторов, первые выводы которых связаны с коллекторами соответствующих первого и второго компенсирующих транзисторов, причем база первого компенсирующего транзистора соединена с коллектором второго компенсирующего транзистора, а база второго компенсирующего транзистора соединена с коллектором первого компенсирующего транзистора, при этом вторые выводы первого и второго закрытых изолирующих p-n переходов на подложку первого и второго компенсирующих транзисторов соединены с объединенными эмиттерами первого и второго компенсирующих транзисторов. 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов датчиков с высоким внутренним сопротивлением, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), широкополосных и избирательных усилителях, фильтрах и т.п.).

Известны устройства для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах [1-7], которые используются для уменьшения статических и динамических погрешностей дифференциальных каскадов, обусловленных β-транзисторов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является схема, представленная в патенте RU №2346386. Он содержит первый 1 и второй 2 компенсирующие транзисторы, эмиттеры которых соединены друг с другом и связаны с источником тока 3, дифференциальный каскад 4 на биполярных транзисторах с первым 5 и вторым 6 входами, связанными с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, первый 7 и второй 8 закрытые изолирующие p-n переходы на подложку первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, первые выводы которых связаны с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, причем база первого 1 компенсирующего транзистора соединена с коллектором второго 2 компенсирующего транзистора, а база второго 2 компенсирующего транзистора соединена с коллектором первого 1 компенсирующего транзистора.

Данная структура ДУ присутствует также в патентах RU №2346386, RU №2346385, RU №2393628, RU №2394361, RU №2394360, RU №2396699, RU №2396698.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что при его реализации на p-n-p транзисторах, имеющих традиционную изоляцию p-n переходами на подложку, оно не обеспечивает полную компенсацию входных токов дифференциальных каскадов в широком диапазоне температур, а также при воздействии радиации, что требует введения специальных компенсирующих p-n переходов [1-7].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении стабильности выходных токов устройства компенсации, и, как следствие, повышение эффективности его использования при работе с классическими дифференциальными каскадами на биполярных транзисторах.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 компенсирующие транзисторы, эмиттеры которых соединены друг с другом и связаны с источником тока 3, дифференциальный каскад 4 на биполярных транзисторах с первым 5 и вторым 6 входами, связанными с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, первый 7 и второй 8 закрытые изолирующие p-n переходы на подложку первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, первые выводы которых связаны с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, причем база первого 1 компенсирующего транзистора соединена с коллектором второго 2 компенсирующего транзистора, а база второго 2 компенсирующего транзистора соединена с коллектором первого 1 компенсирующего транзистора, предусмотрены новые связи - вторые выводы первого 7 и второго 8 закрытых изолирующих p-n переходов на подложку первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов соединены с объединенными эмиттерами первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов.

На чертеже фиг.1 представлена схема известного устройства для компенсации входных токов дифференциального каскада 4.

На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

В схеме фиг.3 приведены схемы устройства компенсации с тремя вариантами включения изолирующих p-n переходов на подложку:

- фиг.3а - p-n переходы на подложку включены традиционным образом, что соответствует прототипу фиг.1;

- фиг.3б - p-n переходы на подложку включены в соответствии с формулой изобретения;

- фиг.3в - p-n переходы на подложку отсутствуют (идеальный случай).

На чертеже фиг.4 показана температурная зависимость выходного (компенсирующего) тока I_com.1=I_R1 в устройстве-прототипе при разных значениях тока I₁ (40 мкА, 100 мкА, 200 мкА), который связан с численными значениями β транзисторов дифференциального каскада 1.

На чертеже фиг.5 показана температурная зависимость выходного (компенсирующего) тока I_com.1=I_R1 в заявляемом устройстве при разных значениях тока I₁ (40 мкА, 100 мкА, 200 мкА).

На чертеже фиг.6 показана температурная зависимость выходного (компенсирующего) тока I_com.1=I_R1 в рассматриваемых устройствах фиг.3в при разных значениях тока I₁ (40 мкА, 100 мкА, 200 мкА) и отсутствии изолирующих p-n переходов на подложку (идеальный вариант схемы).

Устройство для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 компенсирующие транзисторы, эмиттеры которых соединены друг с другом и связаны с источником тока 3, дифференциальный каскад 4 на биполярных транзисторах с первым 5 и вторым 6 входами, связанными с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, первый 7 и второй 8 закрытые изолирующие p-n переходы на подложку первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, первые выводы которых связаны с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов, причем база первого 1 компенсирующего транзистора соединена с коллектором второго 2 компенсирующего транзистора, а база второго 2 компенсирующего транзистора соединена с коллектором первого 1 компенсирующего транзистора. Вторые выводы первого 7 и второго 8 закрытых изолирующих p-n переходов на подложку первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов соединены с объединенными эмиттерами первого 1 и второго 2 компенсирующих транзисторов.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

Дифференциальный каскад 4 характеризуется входными токами $$I_{вх.4}^{(+)}$$ и $$I_{вх.4}^{(-)}$$ , которые компенсируются выходными токами I_com.1 и I_com.2 предлагаемого устройства компенсации

$$I_{com.1}=I_0+\left(1-{\alpha }_1\right)I_7^0,\text{ (1)}$$

$$I_{com.2}=I_0+\left(1-{\alpha }_2\right)I_8^0,\text{ (2)}$$

где I₃=2I₀ - суммарный ток эмиттеров транзисторов 1, 2;

α_i≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 1, 2, связанный с β транзисторов дифференциального каскада 4.

В результате эквивалентные входные токи для узлов 5 и 6 уменьшаются.

$$I_{вх.\sum 1}^{(-)}=I_{вх.4}^{(-)}-I_0-\left(1-{\alpha }_1\right)I_7^0\approx I_{вх.4}^{(-)}-I_0,\text{ (3)}$$

$$I_{вх.\sum 2}^{(+)}=I_{вх.4}^{(+)}-I_0-\left(1-{\alpha }_2\right)I_8^0\approx I_{вх.4}^{(+)}-I_0.\text{ (4)}$$

За счет соответствующего выбора тока I₀ ( $$I_0\approx I_{вх.4}^{(+)}$$ , $$I_0\approx I_{вх.4}^{(-)}$$ ), a также обеспечение α₂≈1 в схеме фиг.2 устраняется влияние температурно-зависимых токов через p-n переходы на подложку $$I_7^0$$ , $$I_8^0$$ на суммарные входные токи $$I_{вх.\sum 1}^{(-)}$$ , $$I_{вх.\sum 2}^{(+)}$$ устройства.

Компьютерное моделирование (фиг.5, фиг.6) показывает, что компенсирующие токи в предлагаемой схеме I_R1=I_com.1, I_R2=I_com.2 не изменяются в диапазоне температур. Для схемы-прототипа эти эффекты не характерны (фиг.4).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает более эффективную компенсацию входных токов дифференциального каскада 4 на биполярных транзисторах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент RU №2346386

2. Патент RU №2346385

3. Патент RU №2393628

4. Патент RU №2394361

5. Патент RU №2394360

6. Патент RU №2396699

7. Патент RU №2396698

Устройство для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах, содержащее первый (1) и второй (2) компенсирующие транзисторы, эмиттеры которых соединены друг с другом и связаны с источником тока (3), дифференциальный каскад (4) на биполярных транзисторах с первым (5) и вторым (6) входами, связанными с коллекторами соответствующих первого (1) и второго (2) компенсирующих транзисторов, первый (7) и второй (8) закрытые изолирующие p-n переходы на подложку первого (1) и второго (2) компенсирующих транзисторов, первые выводы которых связаны с коллекторами соответствующих первого (1) и второго (2) компенсирующих транзисторов, причем база первого (1) компенсирующего транзистора соединена с коллектором второго (2) компенсирующего транзистора, а база второго (2) компенсирующего транзистора соединена с коллектором первого (1) компенсирующего транзистора, отличающееся тем, что вторые выводы первого (7) и второго (8) закрытых изолирующих p-n переходов на подложку первого (1) и второго (2) компенсирующих транзисторов соединены с объединенными эмиттерами первого (1) и второго (2) компенсирующих транзисторов.