ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
PRECISION OPERATIONAL AMPLIFIER

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, в решающих усилителях (ОУ) с малыми значениями напряжения смещения нуля U в условиях воздействия радиации или температуры).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ОУ является классическая схема фиг.1, представленная в патенте фирмы Motorola (США) №4042886, fig. 1, которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств, например [1-8].
см
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля U.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U.
Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, выходной транзистор 5, база которого соединена с выходом токового зеркала 4, а эмиттер подключен к выходу 6 прецизионного операционного усилителя и цепи эмиттерной нагрузки 7 выходного транзистора 5, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 8, причем коллектор дополнительного транзистора 8 соединен с базой выходного транзистора 5, эмиттер подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, база соединена с эмиттером выходного транзистора 5.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения. На фиг.3 представлена схема трехкаскадного ОУ, в котором используется заявляемое устройство (фиг.2) для случая, когда его нагрузкой является промежуточный каскад, выполненный на биполярном транзисторе 11, связанном с выходным буферным каскадом.
На фиг.4 представлена схема трехкаскадного ОУ, в котором используется заявляемое устройство (фиг.2) для случая, когда в качестве его нагрузки применяется промежуточный каскад на полевом транзисторе 15.
На фиг.5 представлена схема заявляемого устройства для случая, когда в качестве входного дифференциального каскада 1 используется классический каскодный усилитель на транзисторах 18-21.
На фиг.6 представлена схема заявляемого устройства (фиг.2) в структуре трехкаскадного операционного усилителя для случая, когда в качестве входного дифференциального каскада 1 используется классический «перегнутый» каскод (элементы 22-28), а в качестве токового зеркала 4 применена известная схема Вильсона.
На фиг.7 приведена модификация схемы (фиг.6), в которой в качестве эмиттерной нагрузки 7 используется дополнительный токовый выход 34 входного дифференциального каскада 1.
На фиг.8 показана схема ОУ-прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.9 показана схема заявляемого устройства (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.10 представлена схема ОУ (фиг.3) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.11 представлена схема ОУ (фиг.1) с выходной подсхемой, идентичной каскодной подсхеме по фиг.10, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
Прецизионный операционный усилитель по фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, выходной транзистор 5, база которого соединена с выходом токового зеркала 4, а эмиттер подключен к выходу 6 прецизионного операционного усилителя и цепи эмиттерной нагрузки 7 выходного транзистора 5. В схему введен дополнительный транзистор 8, причем коллектор дополнительного транзистора 8 соединен с базой выходного транзистора 5, эмиттер подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, база соединена с эмиттером выходного транзистора 5.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введены первая 9 и вторая 10 цепи согласования потенциалов, причем вход токового зеркала 4 связан с первым коллекторным выходом 2 входного дифференциального каскада 1 через первую цепь 9 согласования потенциалов, а эмиттер выходного транзистора 5 связан с выходом 6 прецизионного операционного усилителя через вторую цепь 10 согласования потенциалов.
см
В схеме фиг.3 к выходу схемы фиг.2 подключен промежуточный каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе 11 с цепью местной обратной связи 12 и источником тока 13 в качестве нагрузки, выход которого связан со входом буферного каскада 14. Этой схеме присущи повышенные значения коэффициента усиления по напряжению при малом U.
Особенность схемы фиг.4 состоит в том, что здесь к выходу 6 ОУ фиг.2 подключен затвор полевого транзистора 15. Нагрузка в цепи стока транзистора 15 реализована на двухполюснике 16 и буферном усилителе 17.
В схеме фиг.5 входной дифференциальный каскад 1 реализован по каскодной архитектуре на транзисторах 18-21, а источник напряжения смещения 10 выполнен в виде стабилитрона.
Следует заметить, что в качестве элементов 9 и 10 могут применяться последовательно соединенные р-n-переходы.
В схеме фиг.6 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на базе параллельно-балансного усилителя (элементы 22-24) и «перегнутого» каскода (элементы 25-28), а к выходу 6 подключен буферный усилитель 29. В частном случае токовое зеркало 4 реализовано по схеме Вильсона на элементах 30, 31, 32, 33.
В схеме фиг.7 входной дифференциальный каскад 1 (так же как и в схеме 6) реализован на базе элементов 22-28. Однако функции цепи эмиттерной нагрузки 7 здесь выполняют многоколлекторные транзисторы 27 и 28 входного дифференциального каскада 1.
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 входного n-p-n-транзистора, образующего входной дифференциальный каскад.
С учетом первого закона Кирхгофа можно найти ток коллектора транзистора 8
б.8
где I - ток базы транзистора 8.
Поэтому сумма токов в узле «А» при коэффициенте передачи по току подсхемы 4 (например, токового зеркала Вильсона), равном единице
б.5
б.8
p
Учитывая, что I=1, из (4) следует, что сумма токов в узле «А» равна нулю, т.е. I=0.
б.8
б.5
p
б.8
б.5
cм
p
см
вх
Вследствие воздействия, например, радиации, токи I и I изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I≈0, так как изменения 1 и 1одинаковы. Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u ДУ фиг.2 в выходной ток узла «А»
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.2
где
т
φ - температурный потенциал.
p
В ДУ-прототипе I≠0:
5
где β=30÷50 - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.
см
см
см
Поэтому здесь систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше (фиг.8, U=1,1 мВ), чем в заявляемой схеме (фиг.9, U=48,6 мкВ).
см
Введение первой 9 и второй 10 цепей согласования потенциалов в соответствии с п.2 формулы изобретения создает для некоторых схем дополнительные условия, уменьшающие U за счет симметрирования статического режима транзисторов входного дифференциального каскада 1.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4042886.
2. Патент Японии JP 10032437.
3. Патент Японии JP 2005033558.
4. Патент США №4595883, fig.4.
5. Патентная заявка США №2005/0063270 А1, fig.2.
6. Патент США №5166638, fig.1.
7. Патент США №5537081, fig.3.
8. Патент США №6114904.