КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE 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 компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами.
Особое место занимают каскодные дифференциальные усилители (ДУ), характеризующиеся повышенной широкополосностью. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ДУ фиг.1, представленная в патенте RCA Corporation США №4151482, fig. 1, которая также присутствует в большом числе других патентов, например [2-12].
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 достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым токостабилизирующим двухполюсником 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 входным транзисторам, а также соединены со вторым 6 и третьим 7 токостабилизирующими двухполюсниками, токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и связан с базой входного транзистора 9 выходного буферного усилителя 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого соединена с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, а коллектор подключен ко входу токового зеркала 8.
Схема усилителя - прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
В схеме фиг.3 в эмиттеры транзисторов 1 и 2 введены дополнительные резисторы, что является традиционным схемотехническим решением.
На чертежах фиг.4 и 5 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (фиг.4) и заявляемого ДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.4 и 5.
На чертежах фиг.7 и 8 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (фиг.7), имеющего дополнительные резисторы в эмиттерных цепях входных транзисторов и заявляемого ДУ (фиг.8), соответствующего чертежу фиг.3, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.9 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.7 и 8.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым токостабилизирующим двухполюсником 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 входным транзисторам, а также соединены со вторым 6 и третьим 7 токостабилизирующими двухполюсниками, токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и связан с базой входного транзистора 9 выходного буферного усилителя 10. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого соединена с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, а коллектор подключен ко входу токового зеркала 8.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
к.i
б.i
Если токи двухполюсников 3, 6 и 7 равны величине 2I, то токи коллекторов (I) и токи базы (I) транзисторов:
б.n.
э.i
i
э.i
0
где I=I/β - ток базы p-n-p транзисторов при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы р-n-р транзисторов.
вx.8
вых.8
Входной (I) и выходной (I) токи токового зеркала 8
i
i
где K - коэффициент передачи по току подсхемы 8 (К=1).
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
где I - ток базы транзистора 9 эмиттерного повторителя 10.
р
Для получения нулевого значения разностного тока I (4) необходимо, чтобы выполнялось условие
см
см
р
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (5) уменьшается систематическая составляющая U, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. 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 «А»:
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2.
Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
БУ
б.р
см
см
см
В ДУ-прототипе I=I=I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается более чем на порядок больше (U=933 мкВ), чем в заявляемой схеме (U=11 мкВ).
Компьютерное моделирование схем фиг.4, 5, 7, 8 подтверждает (фиг.6, 9) 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 №4151482 fig. 1.
2. Патент США №4151484 fig.4.
3. Патент Франции №2023887.
4. Патент Франции №2066287.
5. Патент Англии №1276375.
6. Патент ЧССР №145528.
7. Патент ЧССР №145526.
8. Патент США №3825724.
9. Патент ФРГ №2039399.
10. Патент Швеции №365675.
11. Достал И. Операционные усилители [Текст] /И.Достал. - М.: Мир, 1982. - С.80, рис.3.15б.
12. Патент США №4406990, fig. 4.