ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIER WITH LOW VOLTAGE OF ZERO SHIFT

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 компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами.
Особое место занимают дифференциальные усилители (ДУ) с местной отрицательной обратной связью, которая обеспечивается резистором, включенным между эмиттерами входных транзисторов ДУ. Такие ДУ используются в быстродействующих операционных усилителях и характеризуются расширенным диапазоном линейной работы. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ДУ фиг.1, представленная в патенте США №5365191, fig.9, которая также присутствует в большом числе других патентов, имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов управляемые токовые зеркала [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, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй токостабилизирующий двухполюсник 5, токовое зеркало 6, вход которого связан с коллектором первого 1 входного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 2 входного транзистора и базе входного транзистора 7 выходного эмиттерного повторителя, третий токостабилизирующий двухполюсник 8, связанный с выходом устройства 9 и эмиттером транзистора 7 выходного эмиттерного повторителя, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен к эмиттеру второго 2 входного транзистора, эмиттер соединен со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, а база связана с цепью смещения потенциалов 11.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
Схема фиг.3 соответствует п.1 и п.2 формулы изобретения. На чертежах фиг.4, 5 показаны варианты построения цепи смещения потенциалов 11, соответствующей п.3 (фиг.4) и п.4 (фиг.5) формулы изобретения.
На чертеже фиг.6 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа, а на чертеже фиг.7 - заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.8 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.6, 7.
На чертеже фиг.9 приведена схема фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», которая сравнивается со схемой заявляемого ДУ фиг.10, соответствующей п.3 формулы изобретения.
см
На чертеже фиг.11 показана зависимость U=f(t°) схем фиг.9 и 10.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый токостабилизирующий двухполюсник 4, связанный с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй токостабилизирующий двухполюсник 5, токовое зеркало 6, вход которого связан с коллектором первого 1 входного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 2 входного транзистора и базе входного транзистора 7 выходного эмиттерного повторителя, третий токостабилизирующий двухполюсник 8, связанный с выходом устройства 9 и эмиттером транзистора 7 выходного эмиттерного повторителя. В схему введен вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен к эмиттеру второго 2 входного транзистора, эмиттер соединен со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, а база связана с цепью смещения потенциалов 11.
В частном случае в схему фиг.2 введены цепи смещения потенциалов 12 и 13, реализуемые на основе различных двухполюсников.
На чертеже фиг.3, имеющем практическую реализацию двухполюсников 4, 5 и 8 на основе вспомогательных транзисторов 14, 15, 16 и резисторов 17, 18, 19, в соответствии с п.2 формулы изобретения, введен транзистор терморадиационной компенсации 20. При этом статический режим транзисторов 14, 15, 16 по цепи базы устанавливается вспомогательным источником питания 21.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, цепь смещения потенциалов 11 реализована на основе первого дополнительного транзистора 22, причем база первого дополнительного транзистора 22 соединена с эмиттером второго 2 входного транзистора, а его эмиттер является выходом цепи смещения потенциалов 11 и подключен к базе вспомогательного транзистора 10.
На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, цепь смещения потенциалов 11 реализована на основе второго 23 дополнительного транзистора, причем база второго 23 дополнительного транзистора соединена с базой второго 2 входного транзистора, а эмиттер является выходом цепи смещения потенциалов 11 и подключен к базе вспомогательного транзистора 10.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
Если токи двухполюсников 4, 5 и 8 равны величине 10, то токи коллекторов транзисторов 1, 10 и 2:
б.р
э.i
i
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n транзисторов 1, 2, 10, 7 при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов.
вх.6
вых.6
Входной I и выходной I токи токового зеркала 6
i
где K=1 - модуль коэффициента передачи по току токового зеркала 6.
8
0
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину и токе двухполюсника 8 I=I близка к нулю:
б.7
б.р
где I=I - ток базы n-p-n транзистора 7 выходного эмиттерного повторителя.
см
см
р
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (6) уменьшается систематическая составляющая U. 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
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2,
3
R - сопротивление двухполюсника 3.
Поэтому для схемы фиг.2
T
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается более чем на порядок больше, чем в заявляемой схеме (фиг.8, 11).
Компьютерное моделирование схем фиг.6, 7, 9, 10 подтверждает (фиг.8, 11) данные теоретические выводы.
см
см
Для минимизации U при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.3 предусмотрен транзистор 20, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n переход транзистора 10. Это существенно уменьшает производную dU/dT при t°>80°С (фиг.8).
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Библиографический список
1. Патент США №4636743, fig.1.
2. Патент США №5828242, fig.5.
3. Патент США №5365191, fig.9.
4. Патент США №4636744.
5. Патент США №6281752, fig.5a.
6. Патент США №4783637.
7. Патент США №4757275, fig.2.