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 эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с простейшей двухкаскадной архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются IP-модули систем на кристалле, например различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ОУ.
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 управляемые токовые зеркала с их несимметричным включением 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 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, буферный усилитель 5, база входного транзистора 6 которого соединена с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 8, база которого соединена с выходом токового зеркала 4 и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор подключен ко входу токового зеркала 4, а эмиттер связан с базой входного транзистора 6 буферного усилителя 5, причем эмиттер входного транзистора 6 буферного усилителя 5 соединен с выходом устройства и вторым 9 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы дифференциального ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.3 и фиг.4.
Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, буферный усилитель 5, база входного транзистора 6 которого соединена с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником. В схему введен дополнительный транзистор 8, база которого соединена с выходом токового зеркала 4 и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор подключен ко входу токового зеркала 4, а эмиттер связан с базой входного транзистора 6 буферного усилителя 5, причем эмиттер входного транзистора 6 буферного усилителя 5 соединен с выходом устройства и вторым 9 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником. Входной каскад 1 реализован на основе входных транзисторов 10, 11 и двухполюснике 12.
Кроме этого на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом делителя 13 напряжения питания, выполненного на основе двухполюсников 14, 15 и 16.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
0
7
9
0
Если токи двухполюсника 12 равны величине 2I, а токи двухполюсников 7 и 9 - величине I (I=I=I), то токи коллекторов транзисторов схемы:
б.p
э.i
i
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-р-n-транзисторов схемы при эмиттерном токе I=I;
вых.4
вх.4
I=I - входной и выходной токи токового зеркала 4;
i
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов.
Таким образом, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину близка к нулю
б.8
б.p
где I=I - - ток базы n-р-n-транзистора 8.
см
см
p
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (6) 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 S преобразования входного дифференциального напряжения u в выходной ток узла «А»:
э10
э11
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 10 и 11 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 как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме (фиг.3, фиг.4).
Компьютерное моделирование схем фиг.3 и фиг.4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.
Кроме этого, 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.
Библиографический список
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).