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 (например, в прецизионных интерфейсах, компараторах и т.п.).
Известны схемы операционных усилителей (ОУ) на основе двух параллельно-включенных дифференциальных каскадов (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») и выходных каскадов, выполненных на токовых зеркалах. ОУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных микросхем [1-15], в т.ч. ОУ с опцией rail-to-rail, имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжению питания.
Ближайшим прототипом (фиг.1, фиг.2) заявляемого устройства является операционный усилитель, описанный в патенте США №5.515.005, fig.2. Он содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной p-n-p транзистор, коллектор которого соединен с коллектором первого 5 выходного n-p-n транзистора и входом комплементарного буферного усилителя 6, второй 7 и третий 8 выходные p-n-p транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены с первой 9 шиной источника питания, коллектор третьего 8 p-n-p транзистора связан с эмиттером первого 4 выходного p-n-p транзистора, второй 10 и третий 11 выходные n-p-n транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены со второй 12 шиной источника питания, коллектор третьего 11 выходного n-p-n транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного n-p-n транзистора, причем база первого 4 выходного p-n-p транзистора соединена с коллектором второго 7 выходного p-n-p транзистора и первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, а база первого 5 выходного n-p-n транзистора соединена с коллектором второго 10 выходного n-p-n транзистора и вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1.
см
Существенный недостаток известного ДУ 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 решается тем, что в операционном усилителе (фиг.1), содержащем входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной p-n-p транзистор, коллектор которого соединен с коллектором первого 5 выходного n-p-n транзистора и входом комплементарного буферного усилителя 6, второй 7 и третий 8 выходные p-n-p транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены с первой 9 шиной источника питания, коллектор третьего 8 p-n-p транзистора связан с эмиттером первого 4 выходного p-n-p транзистора, второй 10 и третий 11 выходные n-p-n транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены со второй 12 шиной источника питания, коллектор третьего 11 выходного n-p-n транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного n-p-n транзистора, причем база первого 4 выходного p-n-p транзистора соединена с коллектором второго 7 выходного p-n-p транзистора и первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, а база первого 5 выходного n-p-n транзистора соединена с коллектором второго 10 выходного n-p-n транзистора и вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены дополнительные p-n-p 13 и n-p-n 14 транзисторы, база дополнительного p-n-p 13 транзистора соединена с базой первого 4 выходного p-n-p транзистора, его эмиттер связан с базами второго 7 и третьего 8 выходного p-n-p транзисторов, а коллектор соединен со вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, база дополнительного n-p-n 14 транзистора соединена с базой первого 5 выходного n-p-n транзистора, его эмиттер связан с базами второго 10 и третьего 11 выходных n-p-n транзисторов, а коллектор соединен с первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1.
Схема известного ОУ представлена на чертеже фиг.1.
cм
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На чертеже фиг.3 представлен ОУ фиг.2 с конкретным выполнением входного комплементарного дифференциального каскада 1, а также цепями согласования статического режима 21 и 22. Их введение симметрирует статический режим транзисторов 18 и 19 (15 и 16), что фактически уменьшает составляющую U, обусловленную влиянием их внутренней обратной связи.
На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого устройства фиг.3 с конкретным выполнением основных функциональных узлов 1, 2, 15 и 16. В качестве токовых зеркал 7 и 10 целесообразно использовать классические токовые зеркала Вильсона.
На чертежах фиг.4 и фиг.5 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.4) и заявляемого ОУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». На чертеже фиг.6 представлена схема одного из наиболее близких аналогов схем фиг.4 и фиг.5.
На чертеже фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля трех сравниваемых схем фиг.4, фиг.5, фиг.6.
Прецизионный операционный усилитель содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной p-n-p транзистор, коллектор которого соединен с коллектором первого 5 выходного n-p-n транзистора и входом комплементарного буферного усилителя 6, второй 7 и третий 8 выходные p-n-p транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены с первой 9 шиной источника питания, коллектор третьего 8 p-n-p транзистора связан с эмиттером первого 4 выходного p-n-p транзистора, второй 10 и третий 11 выходные n-p-n транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены со второй 12 шиной источника питания, коллектор третьего 11 выходного n-p-n транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного n-p-n транзистора, причем база первого 4 выходного p-n-p транзистора соединена с коллектором второго 7 выходного p-n-p транзистора и первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, а база первого 5 выходного n-p-n транзистора соединена с коллектором второго 10 выходного n-p-n транзистора и вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1. В схему введены дополнительные p-n-p 13 и n-p-n 14 транзисторы, база дополнительного p-n-p 13 транзистора соединена с базой первого 4 выходного p-n-p транзистора, его эмиттер связан с базами второго 7 и третьего 8 выходного p-n-p транзисторов, а коллектор соединен со вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, база дополнительного n-p-n 14 транзистора соединена с базой первого 5 выходного n-p-n транзистора, его эмиттер связан с базами второго 10 и третьего 11 выходных n-p-n транзисторов, а коллектор соединен с первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1.
Входной комплементарный каскад реализуется по классическим схемам [1-15], например, так, как показано на чертеже фиг.3 (элементы 15, 16, 17 и 18, 19, 20).
Комплементарный буферный усилитель 6 также реализуется на базе классических архитектур (фиг.1, фиг.4, фиг.5, фиг.6), которые широко используются в ОУ рассматриваемого класса (см. патенты US 5.515.005, fig.2, US 6.268.769, fig.3, JP 7050528 и др.).
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.3, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
эi
к.i
б.i
Если токи двухполюсников 17 и 20 равны величине 2I, то в соответствии с первым законом Кирхгофа токи эмиттера (I) коллектора (I) и базы (I) транзисторов схемы:
б.i
э.i
i
б.p
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) или p-n-p (I) транзисторов схемы при их эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.
p
p
Как следствие, разность токов I в узле «A» (I) при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину будет близка к нулю, если выполняется условие:
n
p
где x, x - масштабные коэффициенты при составляющих входного тока буферного усилителя 6, входной ток которого:
см
p
см
вх
Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u ОУ в выходной ток узла «А»:
э15
э16
э18
э19
где r=r=r=r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 15, 16, 18, 19 для ОУ с конкретным выполнением входного каскада (фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6).
см
Поэтому для схемы фиг.3 - фиг.5 систематическая составляющая U близка к нулю:
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ОУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается больше чем в заявляемой схеме.
Компьютерное моделирование сравниваемых схем подтверждает (фиг.7) данные теоретические выводы.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5.291.149 fig.3.
2. Патент США №4.595.883.
3. Патент США №5.225.791.
4. Патент США №3.974.455.
5. Патент США №4.783.637.
6. А.св. СССР 611288.
7. Патент Франции №2224932.
8. Патент США №3.968.451.
9. Патент США №5.512.859.
10. Патент США №6.268.769 fig.3.
11. Патент США №5.515.005.
12. Патентная заявка США №2005/0024140 A1.
13. Патент Японии JP 7050528.
14. Патент WO 98/0091.
15. Патент США №4.757.273 fig.22.