ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
OPERATING AMPLIFIER WITH LOW ZERO OFFSET VOLTAGE

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 интегральных и решающих усилителях, компараторах и т.п.).
Известны схемы операционных усилителей (ОУ) на основе трех токовых зеркал [1-5]. ОУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных аналоговых микросхем [1-22], в т.ч. ОУ с опцией rail-to-rail, имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжениям питания.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является операционный усилитель, описанный в патенте US №4241315, fig.4. Его существенная особенность - применение каскодных токовых зеркал, обладающих высоким выходным сопротивлением (влияющим на коэффициент усиления ОУ по напряжению), а также характеризующихся повышенным диапазоном рабочих частот в сравнении с другими вариантами токовых зеркал. Архитектура ОУ-прототипа также используется во многих патентах ведущих микроэлектронных фирм [5-22]. ОУ фиг.1 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными со входами соответствующих первого 4 и второго 5 токовых зеркал, согласованными с первой 6 шиной источника питания, буферный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго 5 токового зеркала и коллектором первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, первый 9 p-n переход третьего токового зеркала, включенный между базой первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, подключенной к выходу первого 4 токового зеркала и базой второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, второй 11 p-n переход третьего токового зеркала, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, вторую 12 шину источника питания, связанную с эмиттером второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, причем коллектор второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала связан с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала.
см
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), в том числе при температурных и радиационных воздействиях.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U, его температурного и радиационного дрейфа.
Поставленная задача решается тем, что в операционном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными со входами соответствующих первого 4 и второго 5 токовых зеркал, согласованными с первой 6 шиной источника питания, буферный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго 5 токового зеркала и коллектором первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, первый 9 p-n переход третьего токового зеркала, включенный между базой первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, подключенной к выходу первого 4 токового зеркала и базой второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, второй 11 p-n переход третьего токового зеркала, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, вторую 12 шину источника питания, связанную с эмиттером второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, причем коллектор второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала связан с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный составной транзистор 13, содержащий N параллельно включенных биполярных транзисторов (13.1, 13.2, …13.N), база которого соединена с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, эмиттер подключен ко второй 12 шине источника питания, а коллектор соединен с дополнительным 14 источником питания.
Схема операционного усилителя-прототипа представлена на фиг.1, а на фиг.2 приведена схема ОУ фиг.1, в которой подсхемы 4 и 5 могут иметь идентичное, в том числе каскодное построение.
На фиг.3 показана схема заявляемого ОУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.4 и 5 показаны схемы усилителя-прототипа (фиг.4) и заявляемого ОУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АВМК_1_3 (г.Минск) с идеальным буферным каскадом.
см
На фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля U сравниваемых схем ОУ фиг.4 и фиг.5.
см
На фиг.7 приведена зависимость напряжения смещения нуля U сравниваемых схем ОУ фиг.4 и 5 от потока нейтронов.
Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными со входами соответствующих первого 4 и второго 5 токовых зеркал, согласованными с первой 6 шиной источника питания, буферный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго 5 токового зеркала и коллектором первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, первый 9 p-n переход третьего токового зеркала, включенный между базой первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, подключенной к выходу первого 4 токового зеркала и базой второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, второй 11 p-n переход третьего токового зеркала, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, вторую 12 шину источника питания, связанную с эмиттером второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, причем коллектор второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала связан с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала. В схему введен дополнительный составной транзистор 13, содержащий N параллельно включенных биполярных транзисторов (13.1, 13.2, …13.N), база которого соединена с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, эмиттер подключен ко второй 12 шине источника питания, а коллектор соединен с дополнительным 14 источником питания.
В соответствии с п.2 формулы изобретения число параллельно включенных биполярных транзисторов в структуре дополнительного составного транзистора 13 равно четырем (N=4) (13.1, 13.2, 13.3, 13.4), а в качестве первого 4 и второго 5 токовых зеркал используются схемы идентичных токовых зеркал, реализуемых, например, по схеме Вильсона и ее многочисленным модификациям.
В соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве дополнительного 14 источника питания используется общая шина положительного 6 и отрицательного 12 источников питания.
Буферный усилитель 7 с малым входным током может быть реализован как на полевых, так и на биполярных транзисторах по классическим схемам Дарлингтона. Входной дифференциальный каскад 1 в схеме фиг.3 реализован на входных транзисторах 15, 16 и источнике тока 17.
см
БУ
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (U) в схеме фиг.3, в которой буферный усилитель 7 имеет малые входные токи (I≈0).
Если учесть, что выходные токи для узлов 2 и 3 входного дифференциального каскада 1 удовлетворяют условиям
i12
то можно найти выходные токи токовых зеркал 4 и 5, в качестве которых рекомендуется использовать как классические токовые зеркала Вильсона с K=-1, так и каскодные токовые зеркала (см. US 4.241.315)
см.4
см.5
где I=I - токи смещения нуля идентичных токовых зеркал 4 и 5;
бр
э
i
I=I/β - токи базы входных n-p-n транзисторов 15 и 16 схемы ОУ фиг.3 при их эмиттерном токе ;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов схемы;
i12.4
i12.5
K=K=1 - коэффициент передачи по току идентичных токовых зеркала 4 и 5.
4
0
5
Таким образом, при идентичных токовых зеркалах 4 и 5 на вход третьего каскадного токового зеркала на транзисторах 8 и 10 поступает ток I=I=I.
э
к
Введение в схему ОУ составного транзистора 13 при N=4 обеспечивает следующие эмиттерный (I) и коллекторный (I) токи транзистора 8
где
5
к8
см
Таким образом, в схеме фиг.2 в высокоимпедансном узле «А» обеспечивается полная взаимная компенсация токов I и I, обусловленных неидентичностью транзисторов 8 и 10 третьего токового зеркала. Поэтому систематическая составляющая напряжения смещения нуля в схеме фиг.3 близка к нулю (U≈0).
В частном случае коллекторы биполярных транзисторов 13.1…13.N могут использоваться как источники тока, устанавливающие статический режим транзисторов буферного усилителя 7, или подключаться к общей шине источника питания.
см
Результаты компьютерного моделирования известной (фиг.4) и предлагаемой (фиг.5) схем ОУ, представленные на фиг.6 и 7 показывают, что схема фиг.5 имеет более чем на порядок меньшее значение U, его температурный (фиг.6), а также радиационный дрейф (фиг.7).
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001, стр.225.
2. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е.Полонников. - М., 1983, с.203.
3. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.106 (ОУ СА3078).
4. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.2.12.
5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст]: Пер. с нем. / П.Шкритек - М.: Мир, 1991. - С.96, рис.8.2.1.
6. Патент США №4783602.
7. Патент США №4176323.
8. Патент США №5371476.
9. Патент США RE 30.587.
10. Патент США №4241315.
11. Патент США №4267519.
12. Патент США №4361815.
13. Патент США №3439542.
14. Патент США №5880639.
15. A.св. СССР №361605.
16. Патент ФРГ №2551068.
17. Патент ФРГ №2620999.
18. Патент США №5936568.
19. Патент США №5497124.
20. Патент США №3979689.
21. Патент США №5399991.
22. Патент США №4618832.