Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), общая эмиттерная цепь которого (2) связана с первой (3) шиной источника питания через источник опорного тока (4), первый (5) и второй (6) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), первый (7) и второй (8) выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения (9), а эмиттеры через соответствующие первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй (12) шиной источника питания, токовое зеркало (13), согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (8) выходного транзистора и токовым выходом устройства (14). В качестве источника опорного тока (4) применяется управляемый по входу (15) источник опорного тока, причем управляющий вход (15) источника опорного тока (4) соединен с коллекторами первого (16) и второго (17) дополнительных транзисторов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение двухкаскадные операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, выполненные на основе архитектуры «перегнутого каскода» [1-25]. Их основные достоинства - эффективное использование напряжения питания, а также расширенный частотный диапазон.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно стойкие ОУ с повышенным коэффициентом усиления по напряжению (90-100 дБ) и малым напряжением смещения нуля (Uсм). Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [22-25], обеспечивающего формирование р-канальных полевых и высококачественных n-р-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 1013 н/см2. Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [25].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является двухкаскадный операционный усилитель по патенту US 7.215.200, fig. 6. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания через источник опорного тока 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 9, а эмиттеры через соответствующие первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 12 шиной источника питания, токовое зеркало 13, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 8 выходного транзистора и токовым выходом устройства 14.

Существенный недостаток известного двухкаскадного ОУ состоит в том, что его общий коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим. Это связано с тем, что в известной схеме усиление по напряжению обеспечивается только выходным каскодом на первом 7 и втором 8 выходных транзисторах. Кроме этого, в диапазоне рабочих, прежде всего низких температур, а также при воздействии потока нейтронов он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля (Uсм) (единицы-десятки милливольт). Это связано с повышением влияния на Uсм погрешностей токового зеркала 13 и входного статического тока буферного усилителя 27, подключаемого к выходу 14. В конечном итоге это снижает прецизионность известного ОУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷100 дБ.

Дополнительная задача - уменьшение напряжения смещения нуля.

Поставленные задачи достигаются тем, что в двухкаскадном дифференциальном операционном усилителе, содержащем входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания через источник опорного тока 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 9, а эмиттеры через соответствующие первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 12 шиной источника питания, токовое зеркало 13, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 8 выходного транзистора и токовым выходом устройства 14, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены в качестве источника опорного тока 4 управляемый по входу 15 источник опорного тока, причем управляющий вход 15 источника опорного тока 4 соединен с коллекторами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов, база первого 16 дополнительного транзистора соединена с первым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 8 выходного транзистора, база второго 17 дополнительного транзистора соединена со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 19 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания.

На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, представлен частный вариант выполнения управляемого по входу 15 источника опорного тока 4.

На фиг. 4 представлена схема заявляемого ОУ, в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 5 приведена схема ОУ фиг. 4 в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 5 без отрицательной обратной связи (верхний график) и с отрицательной обратной связью (нижний график).

На фиг. 7 приведена зависимость напряжения смещения нуля (Uсм) схемы ОУ фиг. 5 от температуры в диапазоне минус 60÷ +80°С (а) и потока нейтронов (б) для случая, когда транзисторы схемы не имеют разброса параметров, а токовое зеркало 13 и буферный усилитель 27 (Gain=1) идеальны. Это позволяет оценить предельные возможности структуры заявляемого ОУ по величине Uсм.

Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель (фиг. 2) содержит входной дифференциальный каскад 1, общая эмиттерная цепь которого 2 связана с первой 3 шиной источника питания через источник опорного тока 4, первый 5 и второй 6 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 9, а эмиттеры через соответствующие первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 12 шиной источника питания, токовое зеркало 13, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 8 выходного транзистора и токовым выходом устройства 14. В схему введены в качестве источника опорного тока 4 управляемый по входу 15 источник опорного тока, причем управляющий вход 15 источника опорного тока 4 соединен с коллекторами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов, база первого 16 дополнительного транзистора соединена с первым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 8 выходного транзистора, база второго 17 дополнительного транзистора соединена со вторым 6 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 19 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй 12 шиной источника питания.

В схеме фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на входных полевых транзисторах 20 и 21, объединенные истоки которых связаны с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1, затворы транзисторов 20 и 21 соединены с соответствующими входами 22 и 23 ОУ. Здесь источник напряжения смещения 9 имеет (относительно второй 12 шины источника питания) напряжение U9≈2Uэб=1,5 В.

На фиг. 3 управляемый по входу 15 источник опорного тока 4, содержит вспомогательный полевой транзистор с управляющим р-n переходом 24 и вспомогательный резистор местной отрицательной обратной связи 25. Сток вспомогательного полевого транзистора с управляющим р-n переходом 24 соединен с общей эмиттерной цепью 2 входного дифференциального каскада 1.

В схеме фиг. 4, соответствующей п. 2 формулы изобретения, предусмотрена цепь смещения потенциалов 26, которая позволяет уменьшить влияние напряжения Эрли первого 7 и второго 8 выходных транзисторов на напряжение смещение нуля ОУ. Для уменьшения выходного сопротивления ОУ может быть предусмотрен буферный усилитель 27, который по потенциальному выходу 28 имеет низкое выходной сопротивление.

Рассмотрим работу ОУ фиг. 4.

Статический режим транзисторов схемы фиг. 4 по току устанавливается первым 18, вторым 19 дополнительными токостабилизирующими двухполюсниками и первым 10 и вторым 11 токостабилизирующими двухполюсниками, которые реализуются на n-р-n транзисторах. Это способствует повышению радиационной стойкости ОУ при его изготовлении в рамках технологического процесса АБМК_1_3 [26]. При этом токи стоков (Ici) и токи коллекторов (Iкi) транзисторов схемы при 100% отрицательной обратной связи в ОУ определяются уравнениями Кирхгофа:

где I10, I11, I18, I19, - токи первого 10, второго 11 токостабилизирующих двухполюсников, первого 18 и второго 19 дополнительных токостабилизирующих двухполюсников;

I2=4I0 - выходной ток источника опорного тока 4;

I0 - некоторый заданный квант тока, например I0=2 мА, выбираемый при проектировании ОУ.

Для дифференциального сигнала переменные составляющие коллекторных токов первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов компенсируют друг друга в цепи управляющего входа 15 и не влияют на работу схемы ОУ. Поэтому коэффициент усиления по напряжению Ку разомкнутой схемы ОУ фиг. 4 определяется выражением:

где uвых.u - приращение напряжения на потенциальном выходе 28, вызванное изменением входного напряжения ОУ (uвх.) между входами 22 и 23;

- коэффициент преобразования входного напряжения ОУ (uвх) в напряжение между токовыми выходами 5 и 6 (u5-6);

- коэффициент передачи напряжения между токовыми выходами 5 и 6 (u5-6) в цепь токового выхода 14 (u14);

- коэффициент передачи по напряжению буферного усилителя 27.

Причем коэффициент усиления

где Rэкв.15-16 - эквивалентное дифференциальное сопротивление между базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов;

Rэкв.14 - эквивалентное сопротивление выходного узла 14;

- эквивалентная крутизна входного дифференциального каскада на основе входных полевых транзисторов 20 и 21;

S20, S21 - крутизны стоко-затворной характеристики соответствующих входных полевых транзисторов 20 и 21;

rэij - сопротивление эмиттерного перехода ij-го транзистора (rэijт/Iэij);

ϕт=25 мВ - температурный потенциал;

Iэij - статический ток эмиттера ij-го транзистора;

Ki≈1 - модуль коэффициента усиления по току токового зеркала 13;

S2 - крутизна преобразования напряжения между первым 5 и вторым 6 токовыми выходами в выходной ток узла 14.

Численное значение эквивалентного сопротивления Rэкв.15-16 определяется формулой:

где β=β1617 - коэффициент усиления по току базы первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов;

- сопротивление эмиттерных переходов соответствующих транзисторов.

Как следствие, за счет создания в схеме фиг. 4 трех высокоимпедансных узлов 5, 6 и 14 коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ фиг. 4 получается достаточно большим (≈90÷100 дБ):

В ОУ-прототипе этот параметр на порядок меньше, так как здесь входной дифференциальный каскад 1 не создает усиления по напряжению.

За счет высокой симметрии схемы напряжение смещения нуля заявляемого ОУ, в отличие от ОУ-прототипа, достаточно мало (фиг. 7). Это связано с уменьшением влияния на Uсм погрешностей токового зеркала 13, которое имеет высокую нестабильность статического режима при внешних воздействиях из-за применения р-n-р транзисторов АБМК_1_3 [25].

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.422.600, fig. 2.

2. Патент США №4.406.990, fig. 3, fig. 4э

3. Патент США №5.952.882.

4. Патент США №4.293.824.

5. Патент США №5.323.121.

6. Патент США №5.420.540 fig. 1.

7. Патент США №6.825.721 fig 1В.

8. Патент США №6.542.030 fig. 1.

9. Патент US 6.456.162, fig. 2.

10. Патент US 6.501.333.

11. Патент US 6.717.466.

12. Патентная заявка US №2002/0196079, fig 1.

13. Патент US №4.600.893, fig. 7.

14. Патент US №4.004.245.

15. Патент US №7.411.451, fig. 5.

16. Патент US №6.788.143, fig. 1.

17. Патент US 4.387.309.

18. Патент US 4.390.850.

19. Патент US 5.963.085.

20. Патент US 4.783.637, fig. 2.

21. Патент GB 2.035.003, fig. 2.

22. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты; ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - 208 с.

23. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 1 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №6, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_6_218.php

24. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 2 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №7, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_7_216.php

25. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 3 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №8, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_8_184.php

1. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1), общая эмиттерная цепь которого (2) связана с первой (3) шиной источника питания через источник опорного тока (4), первый (5) и второй (6) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), первый (7) и второй (8) выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения (9), а эмиттеры через соответствующие первый (10) и второй (11) токостабилизирующие двухполюсник связаны со второй (12) шиной источника питания, токовое зеркало (13), согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (8) выходного транзистора и токовым выходом устройства (14), отличающийся тем, что в качестве источника опорного тока (4) применяется управляемый по входу (15) источник опорного тока, причем управляющий вход (15) источника опорного тока (4) соединен с коллекторами первого (16) и второго (17) дополнительных транзисторов, база первого (16) дополнительного транзистора соединена с первым (5) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через первый (18) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй (12) шиной источника питания, эмиттер первого (16) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго (8) выходного транзистора, база второго (17) дополнительного транзистора соединена со вторым (6) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через второй (19) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связана со второй (12) шиной источника питания.

2. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель по п. 1, отличающийся тем, что источник опорного тока (4), управляемый по входу (15), содержит вспомогательный полевой транзистор с управляющим р-n переходом (24), затвор которого соединен с первой (3) шиной источника питания, исток связан с управляющим входом (15) источника опорного тока (4) и соединен с первой (3) шиной источника питания через вспомогательный резистор (25), причем сток вспомогательного полевого транзистора с управляющим р-n переходом (24) соединен с общей эмиттерной цепью (2) входного дифференциального каскада (1).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: повышение разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя (ОУ) при сохранении высоких показателей по стабильности напряжения смещения нуля.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона изменения выходного напряжения устройства до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: создание энергоэкономичного устройства для усиления разности двух входных токов и подавления их синфазной составляющей.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения выходного напряжения до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат - повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии ОУ до уровня 90÷100 дБ.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности усиления сигналов. Технический результат - уменьшение статического тока, потребляемого ОУ при отключенной нагрузке.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат: уменьшение статического тока, потребляемого ОУ от источников питания (без нагрузки), и уменьшение напряжения смещения нуля.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат - повышение коэффициента усиления разомкнутого операционного усилителя.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано также в измерительной технике в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров с токовым выходом.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является увеличение ширины полосы пропускания операционного усилителя (ОУ), а также повышение быстродействия ОУ при импульсных входных сигналах.

Изобретение относится к схемам входных каскадов на КМОП-транзисторах. Технический результат: расширение диапазона активной работы дифференциального входного каскада.

Группа изобретений относится к усилителю устройства обработки сигналов. Технический результат заключается в обеспечении возможности усиления входного сигнала, содержащего низкочастотный компонент.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении стабильности операционного усилителя на постоянном токе.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов в устройствах различного функционального назначения, работающих на емкостную нагрузку.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на емкостную нагрузку).

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

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала, а также получение граничных напряжений его проходной характеристики iвых=f(uвх) на уровне Uгр=1÷2 В, что приводит к повышению быстродействия ОУ более чем на порядок.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада операционного усилителя (ОУ) для дифференциального сигнала.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала за счет новых элементов связи.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного буферного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности, в структуре выходных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ. Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, общая эмиттерная цепь которого связана с первой шиной источника питания через источник опорного тока, первый и второй токовые выходы входного дифференциального каскада, первый и второй выходные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения, а эмиттеры через соответствующие первый и второй токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй шиной источника питания, токовое зеркало, согласованное с первой шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго выходного транзистора и токовым выходом устройства. В качестве источника опорного тока применяется управляемый по входу источник опорного тока, причем управляющий вход источника опорного тока соединен с коллекторами первого и второго дополнительных транзисторов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх