МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
MULTI-DIFFERENTIAL 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, в фотоприемных устройствах, решающих усилителях с малыми значениями входной проводимости).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с комплементарными входными каскадами [1-11]. Такие ОУ имеют предельно простую структуру и характеризуются малым энергопотреблением.
Предлагаемое изобретение относится к классу ОУ на базе комплементарных входных каскадов [1-11].
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ, фиг.1, представленная в авт. свид. СССР №603097, которая также присутствует в большом числе других патентов, например [1-11]. ОУ-прототип, фиг.1, содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, база первого 1 входного транзистора соединена с первым 3 инвертирующим входом устройства, база второго 2 входного транзистора соединена с первым 4 неинвертирующим входом устройства, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор подключен ко входу первого 6 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером второго 2 входного транзистора, второе 9 токовое зеркало, согласованное со второй 10 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, причем выход устройства 11 соединен с выходом первого 6 токового зеркала.
Существенный недостаток известного ОУ, фиг.1, состоит в том, что он имеет только два входа, что не позволяет его использовать в классе достаточно перспективных активных элементов аналоговой схемотехники нового поколения - мультидифференциальных ОУ.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении числа входов ОУ, т.е. в создании мультидифференциального ОУ. Дополнительная задача - повышение дифференциального и синфазного входных сопротивлений по двум из четырех входов ОУ и создание условий для реализации малых напряжений смещения нуля.
Поставленная задача достигается тем, что в мультидифференциальном операционном усилителе, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, база первого 1 входного транзистора соединена с первым 3 инвертирующим входом устройства, база второго 2 входного транзистора соединена с первым 4 неинвертирующим входом устройства, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор подключен ко входу первого 6 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером второго 2 входного транзистора, второе 9 токовое зеркало, согласованное со второй 10 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, причем выход устройства 11 соединен с выходом первого 6 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 5 и второго 8 выходных транзисторов используются первый и второй полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом, затворы которых соответствуют базе, стоки - коллекторам, а истоки - эмиттерам соответствующих первого 5 и второго 8 выходных транзисторов, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания, сток второго 8 выходного полевого транзистора связан с первой 7 шиной источника питания, выход второго 9 токового зеркала подключен к выходу устройства И, затвор первого 5 выходного полевого транзистора соединен со вторым 12 неинвертирующим входом устройства, а затвор второго 8 выходного полевого транзистора соединен со вторым 13 инвертирующим входом устройства.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.
Схема ДУ, соответствующая п.3 и 4 формулы изобретения, показана на фиг.3.
На фиг.4 представлена схема заявляемого ОУ в среде PSpice на моделях транзисторов аналогового базового матричного кристалла АБМК_1_3, соответствующая п.5 формулы изобретения, а на фиг.5 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ОУ фиг.4.
На фиг.6 представлена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг.4 со 100% отрицательной обратной связью.
На фиг.7 представлена зависимость напряжения смещения нуля от температуры ОУ фиг.4.
Мультидифференциальный операционный усилитель содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, база первого 1 входного транзистора соединена с первым 3 инвертирующим входом устройства, база второго 2 входного транзистора соединена с первым 4 неинвертирующим входом устройства, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор подключен ко входу первого 6 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером второго 2 входного транзистора, второе 9 токовое зеркало, согласованное со второй 10 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, причем выход устройства 11 соединен с выходом первого 6 токового зеркала. В качестве первого 5 и второго 8 выходных транзисторов используются первый и второй полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом, затворы которых соответствуют базе, стоки - коллекторам, а истоки - эмиттерам соответствующих первого 5 и второго 8 выходных транзисторов, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания, сток второго 8 выходного полевого транзистора связан с первой 7 шиной источника питания, выход второго 9 токового зеркала подключен к выходу устройства 11, затвор первого 5 выходного полевого транзистора соединен со вторым 12 неинвертирующим входом устройства, а затвор второго 8 выходного полевого транзистора соединен со вторым 13 инвертирующим входом устройства.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 4 неинвертирующий и второй 13 инвертирующий входы устройства подключены, в частном случае, к общей шине 14 источников питания.
Кроме этого, на фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через цепь согласования потенциалов 15, выполненную в виде дополнительного транзистора 16, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, база соединена со входом второго 9 токового зеркала, а коллектор подключен ко второй 10 шине источников питания.
Следует также заметить, что на фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, выход устройства 11 связан со входом дополнительного буферного усилителя 17, выход которого 18 является дополнительным выходом устройства. Для симметрирования статического режима транзисторов 1 и 2 включен источник напряжения 19, в качестве которого можно использовать р-n-переход.
На фиг.4, в соответствии с п.5 формулы изобретения, в эмиттеры первого 1 и второго 2 входных транзисторов включены соответствующие первый и второй дополнительные резисторы.
см
Рассмотрим работу ОУ, фиг.2, который за счет новых связей имеет 4 входа 3, 12 и 1, 13, а также определим систематическую составляющую его напряжения смещения нуля U.
и
c
0
зи.5
зи.8
0
Токи истока и стока полевых транзисторов 5 и 8 (I=I=I) зависят от крутизны их стоко-затворной характеристики при U=U≈0,7 B. При идентичных эмиттерных переходах первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а также идентичных полевых транзисторах 5 и 8, коллекторный ток транзистора 2 и ток стока транзистора 5 также будут равны величине I. Следовательно, напряжение смещения нуля рассматриваемого ОУ
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.5</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
эб.1
зи.5
эб.2
эб.1
A
B
зи.5
зи.8
*
*
так как U=U, U=U=U   , U=U.
Таким образом, в рассматриваемой схеме обеспечивается малое напряжение смещения нуля, который имеет за счет применения полевых транзисторов повышенные входные сопротивления по двум входам 12 и 13 для дифференциального и синфазного сигналов.
Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ, фиг.2:
<mrow><msub><mi>К</mi><mi>у</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.11</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.11</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>S</mi><mn>5</mn><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
- сопротивление эмиттерного перехода транзистора 1;
1
S - крутизна стоко-затворной характеристики полевого транзистора 5;
т
φ= 26 мВ - температурный потенциал;
н.экв
R - эквивалентное сопротивление нагрузки ОУ, подключенной к выходу 11.
см
При изменении температуры (или уровня радиации) изменяется ток стока транзистора 5, который поступает на вход, а затем выход токового зеркала 6. Однако точно так же (в связи с симметрией истоковой цепи) изменяется ток истока транзистора 8 и коллекторный ток транзистора 2, который поступает на вход, а затем выход токового зеркала 9. В результате в цепи выхода 11 происходит взаимная компенсация данных приращений и поэтому U изменяется незначительно.
см
Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая напряжения смещения нуля U и его дрейф.
Заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей современных систем на кристалле, реализуемых, например, по технологии аналоговых базовых матричных кристаллов АБМК_1_3.
Литература
1. Патент US 5.789.949.
2. Патент US 3.660.773.
3. Патент US 4.074.205.
4. Патентная заявка US 2010/0225392.
5. Патент GB 1543361.
6. Патент DE 2633952.
7. Патент US 4.059.808.
8. Патент RU 2.019.019.
9. Патентная заявка US 2006/0091952.
10. Патент US 5.521.553.
11. Патент US 5.010.303.