ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
PRECISION OPERATIONAL AMPLIFIER

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 эдс смещения нуля и его дрейфа в условиях воздействия температуры или радиации).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ОУ является классическая схема фиг.1 (патент США №4.410.859, fig.1), которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств различного назначения, в том числе микросхем (574УД3, 153УД2, 1407УД3, СА3078 и др. [1-13]).
см
см
Существенные недостатки известного ОУ фиг.1 состоят в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U и высокую нестабильность U вследствие воздействия температуры или радиации.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U.
Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, выходной транзистор 5, база которого связана со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер связан с шиной 6 источника питания через первый 7 вспомогательный резистор, а коллектор соединен с цепью нагрузки 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены дополнительный транзистор 9 и цепь смещения потенциала 10, причем эмиттер дополнительного транзистора 9 связан с выходом токового зеркала 4, коллектор - подключен ко второму коллекторному выходу 3 входного дифференциального каскада 1, база - соединена с эмиттером выходного транзистора 5, а вход токового зеркала 4 связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1 через цепь смещения потенциалов 10.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема ОУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
Прецизионный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, выходной транзистор 5, база которого связана со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер связан с шиной 6 источника питания через первый 7 вспомогательный резистор, а коллектор соединен с цепью нагрузки 8. В схему введены дополнительный транзистор 9 и цепь смещения потенциала 10, причем эмиттер дополнительного транзистора 9 связан с выходом токового зеркала 4, коллектор - подключен ко второму коллекторному выходу 3 входного дифференциального каскада 1, база -соединена с эмиттером выходного транзистора 5, а вход токового зеркала 4 связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1 через цепь смещения потенциалов 10.
В качестве токового зеркала рекомендуется использовать повторители тока Вильсона и другие подсхемы, имеющие малую погрешность передачи входного токового сигнала.
Рассмотрим основные токовые соотношения для схемы фиг.2.
0
Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1 равен 2I, то токи выходов 2 и 3
б.р
где I - ток базы входного n-р-n транзистора ДУ1.
i
э9
к9
Учитывая, что коэффициент передачи по току токового зеркала 4 (например, схемы Вильсона) равен единице (K=1), можно найти ток эмиттера (I) и ток коллектора (I) транзистора 9
б.9
где I - ток базы транзистора 9.
Следовательно, сумма токов в узле «А»
или
б.5
где I - ток базы транзистора 5.
Уравнение (6) можно представить в виде
5
9
где β≈β=20-50 - коэффициент усиления по току базы транзисторов 5 и 9.
5
9
p
Вследствие воздействия радиации β и β изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I≈0.
см
р
см
вx
Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u ДУ фиг.2 в выходной ток узла «А»
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.2
т
где φ - температурный потенциал.
p
см
см
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (фиг.3, U=1,08 мВ), чем в заявляемой схеме (фиг.4, U=86 мкВ).
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №4.410.859, fig.1.
2. Патент США №4.721.920.
3. Патент США №4.783.637.
4. А.св. СССР №678639.
5. Патент США №4.560.948.
6. А.св. №1193773.
7. Патент США №4.463.319.
8. Патент W003/063344A1.
9. Патент США №5.343.164.
10. Патент США №4.417.216.
11. Патент США №5.365.191, fig.7.
12. Патент США №4.163.908
13. Патент Японии №54-37561, fig.1.