КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
COMPLEMENTARY DIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, прецизионных операционных усилителях (ОУ)).
Существует несколько базовых архитектур дифференциальных каскадов (ДК). Одна из них (фиг.1), которая относится к классической архитектуре, была впервые использована в операционном усилителе µА741.
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и р-n-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя µА741» [1-7]. На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом, стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ДУ фиг.1, представленная в патенте фирмы Motorola США №4.030.044, которая также присутствует в большом числе других патентов, например [1-7].
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, коллекторы которых подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к коллектору второго 6 вспомогательного транзистора и первому 7 токостабилизирующему двухполюснику, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 4 выходного транзистора, эмиттер второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, 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 третьего 9 вспомогательного транзистора, эмиттер которого подключен ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику и связан с выходом устройства, причем базы первого 3 и второго 6 вспомогательных транзисторов связаны друг с другом, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, эмиттер соединен с базами первого 3 и второго 6 вспомогательных транзисторов, а коллектор подключен ко входу токового зеркала 8.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 представлена схема ДУ, соответствующая п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.
см
На 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». Для более эффективного сравнения известного и заявляемого устройств токовые зеркала в их коллекторных цепях выполнены по одинаковой схеме. При этом можно показать, что свойства схемы фиг.4 по величине U такие же, как и ДУ фиг.1.
На фиг.6 приведена схема заявляемого устройства, соответствующая п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения, совпадающая с фиг.3.
На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.4, фиг.5.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к коллектору второго 6 вспомогательного транзистора и первому 7 токостабилизирующему двухполюснику, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 4 выходного транзистора, эмиттер второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, 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 третьего 9 вспомогательного транзистора, эмиттер которого подключен ко второму 10 токостабилизирующему двухполюснику и связан с выходом устройства, причем базы первого 3 и второго 6 вспомогательных транзисторов связаны друг с другом. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, эмиттер соединен с базами первого 3 и второго 6 вспомогательных транзисторов, а коллектор подключен ко входу токового зеркала 8.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 14.
На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения в схему введен вспомогательный транзистор 15, эмиттер которого подключен к эмиттеру дополнительного транзистора 11, база соединена с базой дополнительного транзистора 11, а коллектор связан с шиной источника питания 16.
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 7 и 10 равны величине 2I, то токи коллектора (I) и базы (I) транзисторов схемы:
б.i
э.i
i
б.р
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) или p-n-p (I) транзисторов схемы при их эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов.
вх.8
вых.8
Входной I и выходной I токи токового зеркала 8
i
где K=1 - модуль коэффициента передачи по току токового зеркала 12.
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
б.9
б.n
где I=2I - ток базы p-n-р транзистора 9.
см
р
Подставляя (1)÷(7) в (8), находим, что разностный ток, определяющий U ДУ, равен нулю: I=0.
см
р
см
вх
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
э4
э5
где r=r=r=r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1, 2, 4, 5.
см
Поэтому для схемы фиг.2 систематическая составляющая U близка к нулю:
Т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
см
Введение транзистора терморадиационной компенсации 14 (фиг.3) улучшает температурную стабильность U при t>80°.
см
0
Введение транзистора 15 позволяет обеспечить эффект компенсации U при эмиттерных токах транзистора 9, меньших чем 2I.
р
см
см
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на три порядка больше (U=2,0 мВ), чем в заявляемой схеме (U=-1 мкВ).
Компьютерное моделирование схем фиг.4, 5, 6 подтверждает (фиг.7) 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 ФРГ №2.930.041.
2. Патент РФ №2019019.
3. Патент РФ №1107281.
4. А.св. СССР №375754.
5. Патент США №4.030.044.
6. Патент США №4.074.205.
7. Патент США №4.286.227.