КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
COMPLEMENTARY 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, в прецизионных операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.).
Известны схемы комплементарных дифференциальных усилителей (КДУ) 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 повторителях тока. КДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных операционных усилителей [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 комплементарный дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №5.291.149, fig. 3, содержащий первый 1 входной параллельно-балансный каскад на p-n-p транзисторах и включенный параллельно ему по дифференциальному входу второй 2 входной параллельно-балансный каскад на n-p-n транзисторах, первый 3 токостабилизирующий двухполюсник в общей эмиттерной цепи 4 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник в общей эмиттерной цепи 6 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, первое 7 токовое зеркало, вход которого соединен с токовым выходом 8 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, а выход соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, второе 10 токовое зеркало, вход которого соединен с токовым выходом 11 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, а выход соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, буферный усилитель 12, вход которого соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, а выход является низкоимпедансным выходом устройства.
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 предполагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг.1, фиг.2), содержащем первый 1 входной параллельно-балансный каскад на p-n-p транзисторах и включенный параллельно ему по дифференциальному входу второй 2 входной параллельно-балансный каскад на n-p-n транзисторах, первый 3 токостабилизирующий двухполюсник в общей эмиттерной цепи 4 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник в общей эмиттерной цепи 6 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, первое 7 токовое зеркало, вход которого соединен с токовым выходом 8 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, а выход соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, второе 10 токовое зеркало, вход которого соединен с токовым выходом 11 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, а выход соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, буферный усилитель 12, вход которого соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, а выход является низкоимпедансным выходом устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к общей эмиттерной цепи 4 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, а база через первый 15 неинвертирующий повторитель тока соединена со входом второго 10 токового зеркала, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор соединен с общей эмиттерной цепью 6 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, а база через второй 16 неинвертирующий повторитель тока подключена ко входу первого 7 токового зеркала.
Схема известного комплементарного дифференциального усилителя представлена на фиг.1. На фиг.2 показана функциональная схема КДУ фиг.1.
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На 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 фиг.5 и 6 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (фиг.5) и заявляемого КДУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.5, фиг.6.
Комплементарный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной параллельно-балансный каскад на p-n-p транзисторах и включенный параллельно ему по дифференциальному входу второй 2 входной параллельно-балансный каскад на n-p-n транзисторах, первый 3 токостабилизирующий двухполюсник в общей эмиттерной цепи 4 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник в общей эмиттерной цепи 6 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, первое 7 токовое зеркало, вход которого соединен с токовым выходом 8 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, а выход соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, второе 10 токовое зеркало, вход которого соединен с токовым выходом 11 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, а выход соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, буферный усилитель 12, вход которого соединен с высокоимпедансным выходом 9 устройства, а выход является низкоимпедансным выходом устройства. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к общей эмиттерной цепи 4 первого 1 входного параллельно-балансного каскада на p-n-p транзисторах, а база через первый 15 неинвертирующий повторитель тока соединена со входом второго 10 токового зеркала, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор соединен с общей эмиттерной цепью 6 второго 2 входного параллельно-балансного каскада на n-p-n транзисторах, а база через второй 16 неинвертирующий повторитель тока подключена ко входу первого 7 токового зеркала.
В качестве неинвертирующих повторителей тока 15 и 16 авторы рекомендуют использовать каскады с общей базой (транзисторы 21, 22 в КДУ фиг.4) или пассивные двухполюсники (например, стабилитроны).
Токовые зеркала 7 и 10 могут быть выполнены на основе прецизионных токовых зеркал Вильсона.
Буферный усилитель реализуется на базе классических архитектур с малыми входными токами.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.3, т.е. зависящие от схемотехники КДУ.
0
к.i
б.i
Если токи двухполюсников 5 и 3 равны величине 2I, то токи коллектора (I) и базы (I) транзисторов схемы, а также токи выходов 8 и 11:
б.i
э.i
i
б.р
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-гo транзистора.
вх
вых
Входные (I) и выходные (I) токи токовых зеркал 7 и 10:
i
где K=1 - модуль коэффициента передачи по току неинвертирующих повторителей тока 15 и 16;
i12
К=1 - модуль коэффициента передачи по току токовых зеркал 7 и 10.
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
где I≈0 - входной ток буферного усилителя 12.
см
р
Подставляя (1)÷(10) в (11) находим, что разностный ток, определяющий U КДУ, равен нулю: I=0.
см
р
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 ДУ в выходной ток узла «A»:
э18
э19
э17
э20
где r=r=r=r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 17, 18, 19, 20 (для КДУ фиг.4).
см
Поэтому для схемы фиг.3 - фиг.4 систематическая составляющая Uблизка к нулю:
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
см
В КДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается более чем на порядок больше, чем в заявляемой схеме (фиг.7).
Компьютерное моделирование схем фиг.5, фиг.6 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