ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
DIFFERENTIAL OPERATING 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 компараторах и прецизионных решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.
Особое место занимают дифференциальные операционные усилители (ОУ) с несимметричным включением неуправляемой активной нагрузки. Такие ОУ имеют одноканальную структуру входного каскада и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала по цепи общей обратной связи. Предлагаемое изобретение относится к классу ОУ на базе несимметричных входных каскадов [1-11], которые до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в патенте США №4.366.442 fig.2, которая также присутствует в большом числе других патентов, например, [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов несимметрично включенные управляемые токовые зеркала или неуправляемые токостабилизирующие двухполюсники.
см
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), зависящей от свойств его архитектуры.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного и радиационного дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 токовым выходом выходного дифференциального каскада 1, а выход связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый дополнительный транзистор 10 и второй токостабилизирующий двухполюсник 11, коллектор первого 10 дополнительного транзистора связан с шиной 12 источника питания, база подключена ко входу токового зеркала 4, эмиттер соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора подключен ко входу токового зеркала 4, база соединена с эмиттером входного транзистора 5 буферного усилителя 6 и коллектором второго 8 вспомогательного транзистора и первым выходом устройства, эмиттер первого 7 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 8 вспомогательного транзистора, эмиттер которого подключен ко второму 11 токостабилизирующему двухполюснику и второму выходу устройства, причем первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан с выходом токового зеркала 4.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы дифференциального ОУ-прототипа (фиг.4) и заявляемого ОУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.4 и фиг.5.
см
На фиг.7 показана схема ОУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice при четырех параллельно включенных транзисторах терморадиационной компенсации, а на  фиг.8 - графики зависимости U схем фиг.4 и фиг.7.
Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 токовым выходом выходного дифференциального каскада 1, а выход связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник. В схему введен первый дополнительный транзистор 10 и второй токостабилизирующий двухполюсник 11, коллектор первого 10 дополнительного транзистора связан с шиной 12 источника питания, база подключена ко входу токового зеркала 4, эмиттер соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора подключен ко входу токового зеркала 4, база соединена с эмиттером входного транзистора 5 буферного усилителя 6 и коллектором второго 8 вспомогательного транзистора и первым выходом устройства, эмиттер первого 7 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 8 вспомогательного транзистора, эмиттер которого подключен ко второму 11 токостабилизирующему двухполюснику и второму выходу устройства, причем первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан с выходом токового зеркала 4.
Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введены k>2 транзисторов терморадиационной компенсации 13, коллекторы которых соединены с выходом токового зеркала 4.
Также на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, вход токового зеркала 4 связан со вторым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через согласующий токостабилизирующий двухполюсник 14, содержащий один или несколько p-n переходов.
На фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, эмиттер первого 5 входного транзистора буферного усилителя 6 связан с базой первого 15 выходного транзистора, а эмиттер второго 8 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 16 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 15 и второго 16 выходных транзисторов объединены и подключены к третьему выходу устройства (Вых.3). Это обеспечивает двухтактное усиление сигнала. В схемах фиг.2. фиг.3 входной дифференциальный каскад 1 реализован на базе транзисторов 17, 18 и двухполюснике 19.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
0
9
11
0
Если ток двухполюсника 19 равен величине 2I, а токи двухполюсников 9 и 11 - величине I(I=I=I), то токи коллекторов транзисторов схемы:
б.р
э.i
i
б.р
Iб.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) или p-n-p () транзисторов при эмиттерном токе I=I;
вх.4
вых.4
I, I - входной и выходной токи токового зеркала 4;
i
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов.
Учитывая, что транзисторы 13 закрыты, находим, что разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
б.5
б.p
где I=I - ток базы p-n-p транзистора 5.
см
см
p
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (9) уменьшается систематическая составляющая U, обусловленная конечной величиной (3 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 S преобразования входного дифференциального напряжения u в выходной ток узла «А»:
э17
э18
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных
транзисторов 17 и 18 входного дифференциального каскада 1. Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ОУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается значительно больше, чем в заявляемой схеме (фиг.4, фиг.5).
Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 и фиг.7 подтверждает (фиг.6, фиг.8) данные теоретические выводы.
Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий, предлагаемый ОУ имеет и в этом случае меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Литература
1. Патент США №4.415.868 fig.3.
2. Патент ФРГ №2928841 fig.3.
3. Патент Японии JP 54-34589 кл. 98 (5) А014.
4. Патент Японии JP 154-10221, кл. H03F 3/45.
5. Патент Японии JP 54-102949, кл. 98 (5) А21.
6. Патент США №4.366.442 fig.2.
7. Патент США №6.426.678.
8. Патентная заявка США 2007/0152753 fig.5c.
9. Патент США №6.531.920, fig.4.
10. Патент США №4.262.261.
11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).