ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH LOW VOLTAGE OF ZERO SHIFT

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 прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ДУ с простейшей двухкаскадной 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 ДУ.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ДУ фиг.1, представленная в патенте США №4629997, fig.4, которая также присутствует в большом числе других патентов [1-23].
см
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), зависящей от свойств его архитектуры.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1 и базе второго транзистора 5 выходного буферного усилителя, транзистор 6 источника опорного тока, коллектор которого подключен к выходу устройства 7 и соединен с эмиттером входного транзистора 5 выходного буферного усилителя, а эмиттер связан с первой 8 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - база транзистора 6 источника опорного тока связана со входом токового зеркала 4 через дополнительную цепь согласования потенциалов 9, а эмиттер транзистора 6 источника опорного тока связан с шиной источника питания 8 через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 10.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На чертежах фиг.3 - фиг.5 показаны частные случаи выполнения цепи согласования потенциалов 9.
На чертеже фиг.6 показана схема дифференциального усилителя - прототипа, а на чертеже фиг.7 - заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.8 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.6 - фиг.7.
На чертеже фиг.9 приведена модернизированная схема фиг.7 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», в которую введен дополнительный транзистор терморадиационной компенсации VT11, а на чертеже фиг.10 - зависимость напряжения смещения нуля от температуры схемы фиг.6 (прототип) и схемы фиг.9.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного параллельно-балансного каскада 1 и базе второго транзистора 5 выходного буферного усилителя, транзистор 6 источника опорного тока, коллектор которого подключен к выходу устройства 7 и соединен с эмиттером входного транзистора 5 выходного буферного усилителя, а эмиттер связан с первой 8 шиной источника питания. База транзистора 6 источника опорного тока связана со входом токового зеркала 4 через дополнительную цепь согласования потенциалов 9, а эмиттер транзистора 6 источника опорного тока связан с шиной источника питания 8 через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 10.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
В качестве подсхемы 1 могут применяться различные каскады - на полевых транзисторах, с разным построением цепей стабилизации статического режима. Будем считать, что токи выходов 2 и 3 одинаковы и равны по величине току I:
При этом ток двухполюсника 10
где n - коэффициент пропорциональности.
В этой связи токи базы транзисторов 5 и 6
б.р
э.i
i
э.i
0
где I=I/β, - ток базы n-p-n транзисторов 4, 5, 13, 14, 10 при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзистора;
m - коэффициент пропорциональности.
i
При коэффициенте передачи тока цепи согласования потенциала 9 К ее выходной ток
Поэтому выходной ток токового зеркала 4
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
б.р
где I=mI - ток базы n-p-n транзистора 5.
см
Подставляя (2)÷(6) в (7), находим, что разностный ток, определяющий U
р
см
р
(+)
(-)
Как следствие, при I=0 не требуется смещения нуля ДУ1 фиг.2 на величину U, подача которого на его входы Bx.1, Bx.2 компенсирует разностный ток I в узле «А».
p
i
Для получения I=0 коэффициенты n, m и К должны удовлетворять условию
В первом частном случае (n=m=1) должно быть
При m=1, n=2 коэффициент передачи тока
В первом (10) случае необходимо использовать схемы фиг.3 или фиг.4. Во втором (11) - схему фиг.5.
см
см
р
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая U, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования S входного дифференциального напряжения u ДУ в выходной ток узла «А»:
В частном случае (фиг.2):
э11
э12
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 11 и 12 дифференциального каскада 1.
Поэтому для частной схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
см
см
В ДУ-прототипе (фиг.1) I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (U=-1,2 мВ), чем в заявляемой схеме U=64 мкВ, (фиг.8)).
Компьютерное моделирование схем фиг.6 - фиг.7 подтверждает (фиг.8) данные теоретические выводы.
Если необходимо обеспечить симметрию амплитуд положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения ДУ фиг.2, то следует ввести вспомогательные цепи смещения потенциалов V4 и V1 (фиг.6).
см
см
Для минимизации U при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.9 предусмотрен транзистор VT11, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n переход транзистора VT8. Это уменьшает производную dU/dT при t°>80°C (фиг.10). При высококачественных технических процессах необходимость введения транзисторов терморадиационной компенсации отпадает.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Источники информации
1. Патент США №4042886.
2. Патент Японии JP 10032437.
3. Патент Японии JP 2005033558.
4. Патент США №4595883, fig.4.
5. Патентная заявка США №2005/0063270А1, fig.2.
6. Патент США №5166638, fig.1.
7. Патент США №5537081, fig.3.
8. Патент США №6114904.
9. Патент Франции FR №2227574, fig.1, fig.3b, fig.4b.
10. Интегральные микросхемы. Операционные усилители [Текст]: справочник. - М., Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.159, операционные усилители 574УДЗ.
11. Интегральные микросхемы. Операционные усилители [Текст]: справочник. - М., Издательский дом «Додлэка-XXI», 2001. - С.280, операционные усилители 1407УД3, 1416УД1.
12. Патент США №5365191, fig.9.
13. Патент США №5568090.
14. Патент США №4629997.
15. Патентная заявка США 2009/0021306, fig.2.
16. Патент США №4223276, fig.1, fig.2.
17. Патентная заявка США 2008/0061877, fig.6.
18. Патентная заявка США 2006/0202761.
19. Патент США №4338527, fig.3.
20. Патент Японии 54-37561 Н03F 3/45, fig.2, fig.4.
21. Патент Японии 54004131.
22. Патент США №5144259, fig.1.
23. Патент США №6922105, fig.7.