КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
CASCODE DIFFERENTIAL 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 э.д.с. смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенно различными параметрами. Особое место занимают каскадные ДУ с простейшей двухкаскадной архитектурой, содержащие небольшое число элементов и характеризующиеся повышенным частотным диапазоном [1-12]. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.
В качестве прототипа авторами выбран каскодный дифференциальный усилитель, входящий в структуру повторителя напряжения (стабилизатора) по патенту Франции 2.227.574 (схема fig. 1 при использовании следующих сочетаний функциональных узлов: fig. 3с и fig.4a). Это же техническое решение запатентовано еще в трех странах NL, DE, JP [12].
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 цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 7 буферного усилителя 8, проводимость входного транзистора 9 которого совпадает с проводимостью первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введена цепь согласования потенциалов 10, вход которой 11 соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а выход 12 подключен ко входу дополнительного токового зеркала 13, причем выход дополнительного токового зеркала 13 связан со входом 7 буферного усилителя 8.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения. Схема фиг.3 соответствует п.4 формулы изобретения.
На фиг.4 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа (левая часть) и заявляемого ДУ (правая часть) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».
На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.4.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход -подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 7 буферного усилителя 8, проводимость входного транзистора 9 которого совпадает с проводимостью первого 4 и второго 5 выходных транзисторов. В схему введена цепь согласования потенциалов 10, вход которой 11 соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а выход 12 подключен ко входу дополнительного токового зеркала 13, причем выход дополнительного токового зеркала 13 связан со входом 7 буферного усилителя 8.
В соответствии с п.2 формулы изобретения, на фиг.2, в качестве цепи согласования потенциалов 10 используется р-n переход 14.
Входной дифференциальный каскад на фиг.2 содержит транзисторы 15, 16 и двухполюсник 17. Буферный усилитель 8 реализован здесь на основе транзистора 18 и двухполюсников 19, 20, 21 и 22. В частном случае дополнительное токовое зеркало 13 содержит транзисторы 23 и 24.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве цепи согласования потенциалов 10 используется вспомогательный транзистор 25, включенный по схеме с общей базой.
Кроме этого, на фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в схему введен дополнительный транзистор терморадиационной компенсации 26, база которого соединена с базой вспомогательного транзистора 25, а коллектор подключен ко входу 7 буферного усилителя 8. В буферном усилителе для согласования потенциалов используется цепь смещения 27.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.3, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
Если ток двухполюсника 17 равен величине 2I, то токи выходов 2 и 3:
б.P
э,i
i
э,i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n транзисторов 4, 5, 15, 16, 9 при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзистора.
вх
6
вых.6
Поэтому входной (I.) и выходной (I) токи токового зеркала 6
к4
где I - коллекторный ток транзистора 4.
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
б.р
где I=2I - ток базы n-p-n транзистора 11 буферного усилителя 6;
к5
I - коллекторный ток транзистора 5;
вых.13
б.р
I=2I - выходной ток токового зеркала 13.
см
Подставляя (1)÷(3) в (4) находим, что разностный ток, определяющий U
р
см
р
(+)
(-)
Как следствие, при I=0 не требуется смещения нуля ДУ1 фиг.3 на величину U, подача которого на его входы Вх.1, Вх.2 компенсирует разностный ток I в узле «А».
см
см
р
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая U, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного дифференциального напряжения u ДУ в выходной ток узла «А»:
э15
э16
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 16 и 15 дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы фиг.3
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
см
см
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (U=-1,22 мВ), чем в заявляемой схеме (U=56,3 мкВ (фиг.5)).
Компьютерное моделирование схем фиг.4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.
см
см
Для минимизации U при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.3 предусмотрен транзистор 26, 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 25. Это существенно уменьшает производную dU /dT при t°>80°С.
В ряде случаев токовое зеркало 13 может быть реализовано на КМОП-транзисторах.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6114234.
2. Патент США №5091701, fig.1.
3. Патент США №5140280.
4. Патент США №5786729.
5. Патент США №6448853.
6. Патент США №4390850.
7. Патент США №5327100, fig.2.
8. Патент США №64383382, fig.2, fig.1.
9. Патент США №5374897.
10. Патент США №6529076.
11. Патент США №5627495, fig.2.
12. Патент Франции №2227574, fig.1, fig.3с, fig.4а.