ГИБРИДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
HYBRID 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 фотоприемных устройствах, решающих усилителях с малыми значениями входной проводимости и т.п.).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами.
Особое место занимают комплементарные каскадные дифференциальные усилители [1-11]. Такие ДУ имеют предельно простую структуру и характеризуются наименьшим энергопотреблением.
Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема комплементарного дифференциального каскада фиг.1, представленная в патенте США №6.781.459 fig. 4, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографиях, например, [1-11]. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого подключена к неинвертирующему входу 2 устройства, коллектор связан с первой 3 шиной источника питания, а эмиттер - соединен с эмиттером второго 4 входного транзистора, причем база второго 4 входного транзистора соединена с инвертирующим входом 5 устройства, а его коллектор соединен с выходом 6 устройства и связан со второй 7 шиной источника питания через цепь нагрузки 8.
см
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U=1,4÷1,5 B), что связано с несимметрией его архитектуры.
СМ
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U, а также его температурного и радиационного дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в комплементарном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого подключена к неинвертирующему входу 2 устройства, коллектор связан с первой 3 шиной источника питания, а эмиттер соединен с эмиттером второго 4 входного транзистора, причем база второго 4 входного транзистора соединена с инвертирующим входом 5 устройства, а его коллектор соединен с выходом 6 устройства и связан со второй 7 шиной источника питания через цепь нагрузки 8, предусмотрены новые элементы и связи, в качестве первого 1 входного транзистора используется первый 1 полевой транзистор с управляющим p-n переходом, затвор которого соответствует базе, исток - эмиттеру, а сток - коллектору биполярного транзистора, а цепь нагрузки 8 содержит второй 9 полевой транзистор с управляющим p-n переходом, затвор которого соединен со второй 7 шиной источника питания, сток связан с коллектором второго 4 входного транзистора, а исток связан со второй 7 шиной источника питания через дополнительный p-n переход 10, идентичный эмиттерно-базовому переходу второго 4 входного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
Схема ДУ, соответствующая п.2 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.3.
На чертеже фиг.4 приведена схема операционного усилителя на основе заявляемого ДУ, в котором включен дополнительный буферный усилитель на транзисторе 13 и источнике смещения потенциалов 14, а также введена 100% отрицательная обратная связь с выхода 15 на вход 5.
см
Схема ОУ в среде PSpice на моделях транзисторов аналогового базового матричного кристалла, соответствующая чертежу фиг.4, приведена на чертеже фиг.5, а зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты данного (разомкнутого) ОУ представлена на чертеже фиг.6. Напряжение смещения нуля ОУ фиг.5 соответствует U=-8,2 мВ.
На чертеже фиг.7 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ОУ фиг.5 при 100% отрицательной обратной связи.
см
Схема фиг.8 соответствует чертежу фиг.5, однако выходной буферный усилитель выполнен здесь в виде составного транзистора Q7, Q8, а напряжение смещения нуля данного ОУ соответствует U=-3,1 мВ.
На чертеже фиг.9 представлена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг.8 без обратной связи.
На чертеже фиг.10 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты ОУ фиг.8 при 100% отрицательной обратной связи.
см
На чертеже фиг.11 приведена схема ОУ фиг.8, в котором за счет уменьшения резистора R1 обеспечено малое напряжение смещения нуля (U=-22,2 мкВ).
Гибридный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого подключена к неинвертирующему входу 2 устройства, коллектор связан с первой 3 шиной источника питания, а эмиттер соединен с эмиттером второго 4 входного транзистора, причем база второго 4 входного транзистора соединена с инвертирующим входом 5 устройства, а его коллектор соединен с выходом 6 устройства и связан со второй 7 шиной источника питания через цепь нагрузки 8. В качестве первого 1 входного транзистора используется первый 1 полевой транзистор с управляющим p-n переходом, затвор которого соответствует базе, исток - эмиттеру, а сток - коллектору биполярного транзистора, а цепь нагрузки 8 содержит второй 9 полевой транзистор с управляющим p-n переходом, затвор которого соединен со второй 7 шиной источника питания, сток связан с коллектором второго 4 входного транзистора, а исток связан со второй 7 шиной источника питания через дополнительный p-n переход 10, идентичный эмиттерно-базовому переходу второго 4 входного транзистора.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в цепь истока первого 1 и второго 9 полевых транзисторов с управляющим p-переходом включены соответственно первый 11 и второй 12 дополнительные резисторы.
На чертеже фиг.4 в схему включен дополнительный буферный усилитель на транзисторе 13 и источнике напряжения смещения 14, выход которого соединен с выходом устройства 15.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
И
С
0
зи.9
AB
0
Ток истока и стока полевого транзистора 9 (I=I=I) зависит от крутизны его стокозатворной характеристики при U=U≈0,7В. При идентичных p-n переходах второго 4 входного транзистора и дополнительного p-n перехода 10, а также идентичных полевых транзисторах 1 и 9 эмиттерный ток транзистора 4 и ток истока транзистора 1 также будут равны величине I. Следовательно, напряжение смещения нуля рассматриваемого ДУ в соответствии с его определением [12]
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.4</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>0,</mn><mtext>                                (1)</mtext></mrow>
так как
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext>      </mtext><msub><mi>U</mi><mrow><mi>A</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.9</mn></mrow></msub><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mrow><mi>A</mi><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><msup><mi>A</mi><mo>∗</mo></msup><msup><mi>B</mi><mo>∗</mo></msup></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                     (2)</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mtext>            U</mtext><mrow><mtext>зи</mtext><mtext>.1</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.9</mn></mrow></msub><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable>
Таким образом, в рассматриваемой схеме обеспечивается малое напряжение смещения нуля.
Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ фиг.2:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.6</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.6</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi><mn>.1.2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>S</mi><mn>1</mn><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
- сопротивление эмиттерного перехода транзистора 4;
1
S - крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора 1;
т
φ=26 мВ - температурный потенциал;
н.экв
R - эквивалентное сопротивление нагрузки ДУ.
Причем
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>т</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>S</mi><mn>9</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mn>12.9</mn></mrow><mn>3</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext>                            (4)</mtext></mrow></mrow></mrow>
9
где S - крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора 9;
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mrow><mn>12.9</mn></mrow><mn>3</mn></msubsup><mo>=</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup></mrow>
- коэффициент внутренней обратной связи полевого транзистора 9, зависящей от его конструкции и технологии изготовления.
см
При изменении температуры (и уровня радиации) изменяется ток стока транзистора 9. Однако точно так же (в связи с симметрией эмиттерной цепи) изменяется ток истока транзистора 1 и коллекторный ток транзистора 4. В результате U схемы изменяется незначительно.
см
Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая напряжения смещения нуля U.
Следовательно, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей современных систем на кристалле, реализуемых, например, по технологии аналоговых базовых матричных кристаллов АБМК_1_3.
Библиографический список
1. Патент США №4.415.868 fig. 3
2. Патент ФРГ №2928841 fig. 3
3. Патент Японии JP 54-34589, кл. 98(5) А014
4. Патент Японии JP 154-10221, кл. H03F 3/45
5. Патент Японии JP 54-102949, кл. 98(5) А21
6. Патент США №4.366.442 fig. 2
7. Патент США №6.426.678
8. Патентная заявка США 2007/0152753 fig. 5 с
9. Патент США №6.531.920, fig.4
10. Патент США №4.262.261
11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).
12. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.