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, операционных усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля (ОУ) и повышенным коэффициентом усиления по напряжению).
Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах [1-45], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (HA2520, HA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 50 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный дифференциальный усилитель (КДУ), описанный в патенте фирмы Analog Devices (США) №6.483.382, фиг.1, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых являются токовыми входами дифференциального усилителя 3 и 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной 7 источника питания, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор второго выходного транзистора 6 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, причем в схеме имеется вспомогательный транзистор 8.
см
у
Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет сравнительно большое напряжение смещения нуля (U) (единицы милливольт), а также невысокий коэффициент усиления по напряжению (К). Это отрицательно сказывается на параметрах аналоговых устройств на его основе, например операционных усилителей.
см
у
Основная цель предполагаемого изобретения состоит в уменьшении U и повышении К.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых являются токовыми входами дифференциального усилителя 3 и 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной 7 источника питания, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор второго выходного транзистора 6 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, вспомогательный транзистор 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен неинвертирующий усилитель 9, выход которого 10 связан с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, вход 11 подключен к коллектору вспомогательного транзистора 8, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 8, база которого подключена к коллектору второго 6 выходного транзистора.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.3 формулы изобретения. На фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения. На фиг.4 изображен вариант построения неинвертирующего усилителя 9, соответствующего п.3 формулы изобретения.
у
На фиг.5 изображен вариант построения буферного усилителя 12. На фиг.6 показана схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.7 - результаты расчета ее амплитудно-частотной характеристики К.
у
На фиг.8 изображен заявляемый КДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice для случая, когда буферный усилитель выполнен по схеме фиг.5, а на фиг.9 - результаты расчета его амплитудно-частотной характеристики К.
у
На фиг.10 изображен заявляемый КДУ фиг.3 (п.4 формулы изобретения) в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.11 - результаты расчета его амплитудно-частотной характеристики К.
На фиг.12 представлена схема заявляемого КДУ фиг.3, соответствующая п.2 формулы изобретения для случая, когда буферный усилитель 12 выполнен в соответствии с фиг.5, а неинвертирующий усилитель тока 9 реализован по другой схеме. На фиг.13 - результаты расчета амплитудно-частотной характеристики КДУ фиг.12.
Фиг.14 иллюстрирует другой частный вариант построения буферного усилителя 12 с использованием транзистора 18 в структуре классического комплементарного выходного каскада операционного усилителя на транзисторах 18-21 и двухполюсниках 22, 19.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых являются токовыми входами дифференциального усилителя 3 и 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых связаны с шиной 7 источника питания, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор второго выходного транзистора 6 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, вспомогательный транзистор 8. В схему введен неинвертирующий усилитель 9, выход которого 10 связан с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, вход 11 подключен к коллектору вспомогательного транзистора 8, коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 8, база которого подключена к коллектору второго 6 выходного транзистора.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения коллектор первого выходного транзистора 5 соединен с эмиттером вспомогательного транзистора 8 через буферный усилитель 12. В частном случае в эмиттерную цепь транзисторов 1 и 2 могут быть включены резисторы 13, 14. В ряде случаев на входы 3 и 4 может подаваться потенциальный сигнал, например, от входных эмиттерных повторителей.
Кроме этого на фиг.3, а также фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения неинвертирующий усилитель 9 выполнен на основе дополнительного транзистора 15 с включением по схеме с общей базой и двухполюснике 16, причем эмиттер дополнительного транзистора 15 является входом 11 неинвертирующего усилителя тока 9, а его коллектор - выходом 10 неинвертирующего усилителя 9.
На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы изобретения буферный усилитель 12 реализован в виде эмиттерного повторителя, содержащего входной транзистор 18 и токостабилизирующий двухполюсник 19.
Рассмотрим работу заявляемого каскодного дифференциального усилителя на примере анализа схемы фиг.3. При этом будем считать, что на входы 3 и 4 КДУ подаются токовые сигналы, например, от классического параллельно-балансного каскада (фиг.6.).
к2
к6
Условие получения близкого к нулю напряжения смещения нуля операционных усилителей на базе КДУ фиг.3 является равенство токов коллектора транзистора 2 и транзистора 6: I= I, то есть выполнение условия
к1
где I - коллекторный ток транзистора 1.
12
б
Если обозначить входной ток буферного усилителя 12 через I, а ток базы всех n-p-n транзисторов как I, то в соответствии с основными токовыми соотношениями в транзисторе в элементах схемы фиг.3 установятся токи, показанные на фиг.3.
Поэтому для обеспечения равенства
необходимо, чтобы
см
Последнее условие легко реализуется за счет построения буферного усилителя 12 на базе эмиттерного повторителя фиг.5. В результате U, обусловленное структурными ошибками усиления сигналов, существенно уменьшается. Данный вывод подтверждается данными компьютерного моделирования (фиг.8, фиг.10) - здесь систематическая составляющая напряжения смещения нуля измеряется микровольтами (12 мкВ, 22 мкВ).
у
у
э
Повышение К на один-два порядка реализуется в схеме фиг.3 за счет взаимной компенсации влияния на К сравнительно больших выходных проводимостей транзисторов 5 и 6, которые зависят от их напряжения Эрли (U) и статических токов коллектора:
у
В результате эквивалентное сопротивление нагрузки в КДУ фиг.3 повышается на один-два порядка, что во столько же раз повышает коэффициент К (в сравнении с КДУ-прототипом, фиг.1).
Представленные на чертежах фиг.7, фиг.9, фиг.11, фиг.13 результаты компьютерного моделирования подтверждают преимущества заявляемых схем - в отличие от прототипа новая схема обеспечивает на порядок более высокое усиление и малое напряжение смещения нуля. Это создает условия для улучшения многих параметров аналоговых микросхем на ее основе.
Источники информации
1. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. Л., 1979, 148 с.
2. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. М.: Радио и связь, 1989, с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
3. Патент США №6.218.900, фиг.1.
4. Патентная заявка US 2002/0196079.
5. Патент США №6.788.143.
6. Патент США №3.644.838, фиг.2.
7. Патент США Re 30.587.
8. Патент ЕР 1.227.580.
9. Патент США №6.714.076.
10. Патент США №5.786.729.
11. Патент США №5.327.100.
12. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.
13. Патент США №4.274.061.
14. Патент США №5.422.600, фиг.2.
15. Патент США №6.788.143, фиг.2.
16. Патент США №4.959.622, фиг.1.
17. Патент США №4.406.990, фиг.4.
18. Патент США №5.418.491.
19. Патент США №6.018.268.
20. Патент США №5.952.882.
21. Патент США №4.723.111.
22. Патент США №4.293.824.
23. Патент США №6.580.325.
24. Патент США №6.965.266.
25. Патент США №6.867.643.
26. Патент США №6.236.270.
27. Патент США №5.323.121.
28. Патент США №6.229.394.
29. Патент США №5.734.296.
30. Патент США №5.477.190.
31. Патент США №5.091.701.
32. Патент США №6.717.474.
33. Патент США №6.084.475.
34. Патент США №3.733.559.
35. Патентная заявка US 2005/0001682 A1.
36. Патент США №6.300.831.
37. Патент США №4.600.893.
38. Патентная заявка US 2001/0026193.
39. Патент США №6.529.076.
40. Патент США №6.448.853.
41. Патент США №6.362.686.
42. Патент США №6.501.333.
43. Патент США №6.710.654.
44. Патент США №6.537.919.
45. Патентная заявка US 2003/0090321.