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.
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.
см
Данные преимущества реализованы в ряде серийных ОУ (154УД1, НА2700, 154УД4 и др.). Однако ОУ данного подкласса имеют сравнительно большой уровень напряжения смещения нуля (U) 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.
см
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), связанной с несимметрией его архитектуры.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U, 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").
см
На чертеже фиг.6 показана температурная зависимость выходного напряжения U 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").
см
На чертеже фиг.9 представлена температурная зависимость выходного напряжения U 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.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (U) в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
1
0
0
эi
кi
6
17
Если ток двухполюсника 16 равен величине 2I, двухполюсника 13 - xI, двухполюсника 18 - величине I, то токи эмиттеров (I) и коллекторов (I) транзисторов схемы, а также токи p-n переходов 6 (I) и 17 (I):
бi
эi
i
бр
бn
эi
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) или p-n-p (I) транзисторов при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора;
1
x - масштабный коэффициент тока двухполюсника 13.
Поэтому разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
p
бр
n
бn
где I=xI-xI;
p
n
бр
бn
БУ
x, x - масштабные коэффициенты противоположно направленных составляющих (I, I) входного тока I буферного усилителя 10, в качестве которого целесообразно использовать классические комплементарные эммттерные повторители (фиг.5, фиг.4).
n
p
1
см
p
см
р
см
вх
Таким образом, как это следует из (6), в заявляемом устройстве при выполнении условия х=3, x=x-1 уменьшается систематическая составляющая U, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью (x≈0). Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны (S) преобразования входного дифференциального напряжения ОУ (u) в выходной ток узла «А»:
э14
э15
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 14 и 15 входного дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ОУ-прототипе фиг.1 I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.
см
см
Введение p-n перехода 17 обеспечивает дальнейшее уменьшение температурного дрейфа U за счет симметрирования статического режима по напряжению коллектор-база транзисторов 14 и 15, что ослабляет влияние на U 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.