КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
CASCODE DIFFERENTIAL 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 функционального назначения (например, широкополосных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля U).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ДУ с каскодной архитектурой, относящиеся к числу наиболее высокочастотных. Предполагаемое изобретение относится к данному типу устройств [1-16].
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема фиг.1 (патент США №4.232.273), которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств и интерфейсов.
CM
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля U.
CM
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения 6, соединенный с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход - с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 8 буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя 9, соединенную с его выходом 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 8 буферного усилителя, а коллектор связан с выходом 10 буферного усилителя.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1-п.3 формулы изобретения. На чертеже фиг.3 показаны статические токи в схеме заявляемого устройства фиг.2. Однако тип проводимости применяемых в схеме фиг.3 транзисторов противоположен типу проводимости соответствующих транзисторов в схеме фиг.2.
см
На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» и результаты расчета его напряжения смещения нуля: U=576 мкВ.
см
На чертеже фиг.5 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а также результаты определения систематической составляющей его напряжения смещения нуля: U=-38,8 мкВ.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения 6, соединенный с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход - с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 8 буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя 9, соединенную с его выходом 10. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 8 буферного усилителя, а коллектор связан с выходом 10 буферного усилителя.
На чертежах фиг.2 и фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, токовое зеркало 7 содержит p-n переход 12 и выходной транзистор 13, причем база выходного транзистора 13 соединена со входом токового зеркала 7 и первым выводом p-n перехода 12, коллектор связан с выходом токового зеркала 7, а эмиттер подключен ко второму выводу p-n перехода 12.
На чертеже фиг.4, соответствующем п.3 формулы изобретения, выход 10 буферного усилителя соединен со входом выходного повторителя напряжения 14.
Рассмотрим работу схемы фиг.3 на постоянном токе.
В связи с конечной величиной коэффициента передачи тока базы транзисторов (β=20÷50) для схемы фиг.3 можно составить следующие уравнения Кирхгофа:
к4
к5
к8
к13
где I, I, I, I - коллекторные токи транзисторов 4, 5, 8, 13;
12
I - ток через p-n переход 12;
э5
э13
I, I - эмиттерный ток транзисторов 5 и 13;
0
2I - суммарный ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада.
Сумма токов для узла «А»
или после преобразования
С учетом численных значений β последнее уравнение можно представить в виде
.
8
11
13
см
р
см
вх
Таким образом, при β≈β≈β и одинаковом изменении β транзисторов под действием радиации (или температуры) в узле «А» обеспечивается взаимная компенсация токов ошибки, связанных с конечными значениями токов базы. Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u ДУ фиг.3 в выходной ток узла «А»
,
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1. Поэтому для схем фиг.1 - фиг.3
см
р
э1
э2
U=I(r+r).
R
CM
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (фиг.4), чем в заявляемой схеме (фиг.5).
Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №3.660.773.
2. Патент Франции №1.484.340.
3. Патент ФРГ №1.214.775.
4. Патент Англии №1520085.
5. Патент США №3.482.177.
6. Патент Англии №1212342.
7. Патент ФРГ №1537590.
8. Патент Франции №1548008.
9. Патентная заявка ФРГ №2418455.
10. Патент Франции №2227574.
11. Ав. свид. СССР №970638.
12. Патент Швеции №359989.
13. Патент Англии №1500993.
14. Ав. свид. СССР №276170.
15. Патент Англии №1334759.
16. Патент Японии №53-35352.