ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
OPERATIONAL AMPLIFIER WITH LOW VOLTAGE OF ZERO SHIFT

см
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функциональною назначения (например, в решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля U в условиях воздействия радиации или температуры).
В структуре аналоговых интерфейсов различного назначения находят широкое применение операционные усилители (ОУ), характеризующиеся двухканальной передачей выходных токов входного дифференциального каскада на вход буферного усилителя [1-8]. Их основное достоинство - исключение нелинейных режимов промежуточного каскада, что способствует повышению быстродействия в схемах с нелинейной коррекцией [7, 8]. Следует отметить, что по такой архитектуре выполняются ОУ как на биполярных [2, 4, 6], так и на полевых [1, 3] транзисторах.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в патенте США №5.512.857 фиг.3, которая стала основой построения различных аналоговых устройств, например [1-8].
см
Существенный недостаток ОУ-прототипа состоит в повышенном напряжении смещения нуля U, что обусловлено свойствами его архитектуры.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля U.
Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, p-n переход активной нагрузки 4, связанный с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, третий 7 выходной транзистор, база которого связана со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и коллектором первого 5 выходного транзистора, а коллектор соединен с выходом первого токового зеркала 8 и цепью нагрузки 9, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 6 выходного транзистора соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база дополнительного транзистора 10 соединена со входом дополнительного токового зеркала 11, коллектор подключен ко входу первого 8 токового зеркала, а выход дополнительного токового зеркала 11 соединен с первым 2 выходом входного дифференциального каскада 1.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 представлена схема фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice па моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».
На фиг.4 представлена схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
см
На фиг.5 представлены графики температурной зависимости U ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4), полученные в результате моделирования сравниваемых схем.
Операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, p-n переход активной нагрузки 4, связанный с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, третий 7 выходной транзистор, база которого связана со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и коллектором первого 5 выходного транзистора, а коллектор соединен с выходом первого токового зеркала 8 и цепью нагрузки 9. Коллектор второго 6 выходного транзистора соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база дополнительного транзистора 10 соединена со входом дополнительного токового зеркала 11, коллектор подключен ко входу первого 8 токового зеркала, а выход дополнительного токового зеркала 11 соединен с первым 2 выходом входного дифференциального каскада 1.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коэффициент передачи по току первого токового зеркала 8 выбран близким к единице, а коэффициент передачи по току дополнительного токового зеркала 11 - близким к двум.
Рассмотрим работу схемы фиг.2 на постоянном токе.
0
Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1 равен 2I, то токи выходов 2 и 3
б.р
где I - ток базы входных n-p-n транзисторов, образующих входной дифференциальный каскад 1.
С учетом первого закона Кирхгофа можно найти ток через р-n переход 4:
б.i
где I - ток базы i-го транзистора;
i
K - коэффициент передачи по току дополнительного токового зеркала 11.
i
эi
6
10
5
7
Если выбрать K=2 и учесть, что токи эмиттера I транзисторов 5 и 6 равны току через p-n переход 4, а коэффициент усиления по току базы β транзисторов 6, 10, 5 и 7 одинаковы (β=β=β=β=β), то из (3) можно найти, что
Поэтому сумма токов в узле «A» близка к нулю
.
б.7
б.5
p
б.7
б.5
см
p
см
вх
Вследствие воздействия, например, радиации или температуры токи I и I изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I≈0, так как изменения I и I одинаковы. Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «A» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u ОУ фиг.2 в выходной ток узла «A»
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы фиг.2
где ;
т
φ - температурный потенциал.
р
В ОУ-прототипе фиг.1 разностный ток I≠0:
p
б.5
б.6
б.7
б.5
I=-2I-I+I≈-2I
или
5
где β - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.
Как следствие напряжение смещения нуля
см
см
см
см
Если β=100, то U≈1 мВ, поэтому здесь систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше (фиг.3, U=989 мкВ), чем в заявляемой схеме (фиг.4, U=84 мкВ). Компьютерное моделирование (фиг.5) подтверждает данные выводы.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом по статической точности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6.150.884.
2. Патент США №5.512.857, фиг.3.
3. Патентная заявка Японии JP 2002/043870.
4. А.св. СССР №614528, фиг.2.
5. Патент Японии JP 7-74554.
6. А.св. СССР №1396242, фиг.1.
7. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст]. / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко П.П., Соколов Ю.М. - Л., 1979. - С.143. - Рис.3-37.
8. Маломощные быстродействующие операционные усилители [Текст]. / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко П.П., Соколов Ю.М., Югай В. // Активные избирательные системы: Межвузовский научно-технический сборник. - Таганрог: ТРТИ, 1978. - №4.