КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL 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, операционных усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля (ОУ)).
Известны схемы прецизионных дифференциальных операционных усилителей (ОУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.). В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 50 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ДУ, описанный в патенте фирмы Canon в США №5420540 (фиг.1), содержащий входной параллельно-балансный каскад 1, токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы 6 и 7 связаны с шиной источника питания 8, первый 9 источник опорного тока, связанный с коллекторами первого 4 выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора 10, эмиттер которого соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, второй 12 источник опорного тока, подключенный к коллектору второго 5 выходного транзистора и базе входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя.
см
Существенный недостаток известного каскодного дифференциального усилителя состоит в том, что он характеризуется сравнительно большим напряжением смещения нуля (U).
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля. Дополнительная цель - создание условий для повышения коэффициента ослабления помехи по питанию.
Поставленная цель достигается тем, что в известном ДУ, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы 6 и 7 связаны с шиной источника питания 8, первый 9 источник опорного тока, связанный с коллекторами первого 4 выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора 10, эмиттер которого соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, второй 12 источник опорного тока, подключенный к коллектору второго 5 выходного транзистора и базе входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя, предусмотрены новые связи - второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 соединен со входом 14 дополнительного токового зеркала 15, выход которого 16 подключен к эмиттеру входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя.
На фиг.1 показана схема каскодного дифференциального усилителя-прототипа.
На фиг.2 представлена обобщенная схема заявляемого ДУ.
Частный вариант построения дополнительного токового зеркала 15 показан на фиг.3.
i
см
На фиг.4 представлен вариант построения ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», соответствующий архитектуре фиг.2 (но на менее качественных р-n-р транзисторах), для случая, когда дополнительное токовое зеркало 15 имеет идеальные параметры (его коэффициент усиления тока К=1). Здесь (без учета параметров элементов) U=54 мкВ.
см
На фиг.5 представлен другой вариант построения ДУ, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»,соответствующий фиг.2, для случая, когда дополнительное токовое зеркало 15 имеет реальное построение, соответствующее фиг.3. Здесь U=93 мкВ.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы 6 и 7 связаны с шиной источника питания 8, первый 9 источник опорного тока, связанный с коллекторами первого 4 выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора 10, эмиттер которого соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, второй 12 источник опорного тока, подключенный к коллектору второго 5 выходного транзистора и базе входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя. Второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 соединен со входом 14 дополнительного токового зеркала 15, выход которого 16 подключен к эмиттеру входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя.
Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).
Статический режим по току транзисторов 4 и 5 КДУ фиг.2 определяется двухполюсником 9. Для цепи базы транзистора 10 справедливо следующее уравнение Кирхгофа:
K4
где I - ток коллектора транзистора 4;
б10
I - ток базы транзистора 10.
Поэтому эмиттерный ток транзистора 4
б4
где I - ток базы транзистора 4.
При идентичных резисторах 6 и 7 и одинаковых токах выходов 2 и 3 эмиттерный ток транзистора 5 будет равен эмиттерному току транзистора 4
Поэтому ток коллектора транзистора
Для цепи базы транзистора 13
9
12
см
Из последнего уравнения следует, что при I=I условием взаимной компенсации токов в цепи базы транзистора 13 и, как следствие, малых напряжений U будет равенство
9
12
3
2
Так как эмиттерные токи транзисторов 10 и 13 одинаковы благодаря дополнительному токовому зеркалу 15, то условие (6) в заявляемой схеме выполняется в широком диапазоне изменений токов I=I, а также токов I и I, вызванных влиянием нестабильности питания и температуры.
см
Как следствие предлагаемая схема КДУ имеет более низкие значения U.
см
см
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.4 и 5. Численные значения систематической составляющей U (без учета разброса параметров элементов) лежат для этих схем в диапазоне 60÷100 мкВ. В то же время в КДУ-прототипе U изменяется единицами милливольт.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с ДУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
2. Патент США №6218900, фиг.1.
3. Патентная заявка US 2002/0196079.
4. Патент США №6788143.
5. Патент США №3644838, фиг.2.
6. Патент США Re 30.587.
7. Патент ЕР 1227580.
8. Патент США №6714076.
9. Патент США №5786729.
10. Патент США №5327100.
11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.
12. Патент США №4274061.
13. Патент США №5422600, фиг.2.
14. Патент США №6788143, фиг.2.
15. Патент США №4959622, фиг.1.
16. Патент США №4406990, фиг.4.
17. Патент США №5418491.
18. Патент США №6018268.
19. Патент США №5952882.
20. Патент США №4723111.
21. Патент США №4293824.
22. Патент США №6580325.
23. Патент США №6965266.
24. Патент США №6867643.
25. Патент США №6236270.
26. Патент США №5323121.
27. Патент США №6229394.
28. Патент США №5734296.
29. Патент США №5477190.
30. Патент США №5091701.
31. Патент США №6717474.
32. Патент США №6084475.
33. Патент США №3733559.
34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.
35. Патент США №6300831.