ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
PRECISION OPERATIONAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.
Одним из классических вариантов построения операционных усилителей являются схемы, содержащие входной дифференциальный каскад и выходной каскад на базе так называемых «бриллиантовых» транзисторов, которые стали основой современных аналоговых микросхем [1-10]. Предполагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель, представленный в патенте США №5479133, fig.5. Эта архитектура присутствует в большем числе других патентов [1-10].
см
см
Существенный недостаток известного операционного усилителя (ОУ) (фиг.1 - фиг.2) состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U), связанное с влиянием на U буферного каскада.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля в условиях разброса коэффициента усиления тока базы (β) n-p-n и p-n-p транзисторов буферного каскада, а также их температурной и радиационной зависимости.
Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе (фиг.1 - фиг.2), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного 4 и отрицательного 5 источников питания, первый 6 и второй 7 входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго 7 входного транзистора буферного каскада и базой первого 8 выходного транзистора буферного каскада, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого 6 входного транзистора буферного каскада и базой второго 9 выходного транзистора буферного каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого 6 и второго 7 входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов связаны с выходом 10 устройства.
На фиг.2 приведена обобщенная схема ОУ-прототипа, соответствующая фиг.1. На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы ОУ прототипа (фиг.4) и заявляемого устройства (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар".
см
На фиг.6 и фиг.7 приведены графики температурных зависимостей U сравниваемых ОУ фиг.3 (прототип) и фиг.4 (заявляемый ОУ).
Операционный усилитель фиг.3 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного 4 и отрицательного 5 источников питания, первый 6 и второй 7 входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго 7 входного транзистора буферного каскада и базой первого 8 выходного транзистора буферного каскада, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого 6 входного транзистора буферного каскада и базой второго 9 выходного транзистора буферного каскада. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого 6 и второго 7 входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов связаны с выходом 10 устройства.
Рассмотрим работу ОУ фиг.2 и фиг.3.
см
6
7
11
12
12
11
0
Напряжение смещения нуля ОУ фиг.2 (U) при идеальном входном каскаде 1, т.е. не вносящем погрешностей в усиление сигналов постоянного тока, зависит от разброса β транзисторов 6 (β) и 7 (β) и их статического режима, устанавливаемого двухполюсниками 11 (I) и 12 (I) (I=I=I):
где ,  - токи базы транзисторов 6 и 7,
- крутизна преобразования входного напряжения ОУ фиг.2 в выходной ток узла «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину.
см
При воздействии радиации или температуры β n-p-n и р-n-р транзисторов 6 и 7 существенно деградируют. Причем они изменяются по разным законам. Как следствие, ОУ-прототип имеет повышенные значения U и его дрейфа даже при идеальном входном каскаде и особенно при больших разбросах β.
В предлагаемом ОУ фиг.3 разностный ток в узле «А»
к13
к14
где I, I - коллекторные токи транзисторов 13 и 14.
После преобразования (2) можно найти:
13
7
6
14
р
см
Так как для транзисторов одного типа проводимости β=β, β=β, причем эти параметры изменяются (при температурных и радиационных воздействиях) по одинаковым законам, то в (5) I≈0 и поэтому U≈0.
Данные выводы подтверждены графиками фиг.6 и фиг.8, из которых следует, что заявляемая схема ОУ имеет более чем в 10 раз меньшие значения напряжения смещения нуля.
Замечательная особенность предлагаемого ОУ состоит в том, что при введении новых элементов максимально возможная амплитуда его выходного напряжения  отличается (так же как и у прототипа) от напряжения питания  не более чем на 1÷1,2 В. Это весьма существенное достоинство схемы при малых .
Таким образом, заявляемое устройство характеризуется более высокими качественными показателями.
Источники информации
1. Патент США №6281752, fig.5a.
2. Патент США №6304143, fig.3.
3. Патент США №5786729, fig.1.
4. Патент США №6268769, fig.3.
5. Патент США №5128631.
6. Патент США №5374897, fig.7.
7. Патент США №4837523, fig.2.
8. А. С. СССР №1506512.
9. Патент США №5512859.
10. Патент США №5627495.