ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
PRECISION 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, прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).
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 ОУ.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема ДУ (фиг.1), представленная в патенте США №6.114.904, fig.1, которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств, например [1-8].
см
Существенный недостаток известного ДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U.
Поставленная цель достигается тем, что в прецизионном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя и цепью установления статического режима 6, цепь активной нагрузки, содержащую первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы с объединенными базами, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора соединен с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 8 вспомогательного транзистора соединен со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 9, база которого соединена с коллектором первого 7 вспомогательного транзистора, эмиттер связан с объединенными базами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов через первый 10 дополнительный источник напряжения смещения и подключен к источнику опорного тока 11, а эмиттер выходного транзистора 4 связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя через второй 12 источник напряжения смещения, причем напряжения на первом 10 и втором 12 источниках напряжения смещения выбираются исходя из выражения
,
где  - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;
эб.4
эб
U - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (U≈0,7÷0,8 В);
10
Е - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;
12
E - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показана схема дифференциального усилителя-прототипа (правая часть) и заявляемого ДУ (левая часть) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
Прецизионный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя и цепью установления статического режима 6, цепь активной нагрузки, содержащую первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы с объединенными базами, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора соединен с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 8 вспомогательного транзистора соединен со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада. В схему введен дополнительный транзистор 9, база которого соединена с коллектором первого 7 вспомогательного транзистора, эмиттер связан с объединенными базами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов через первый 10 дополнительный источник напряжения смещения и подключен к источнику опорного тока 11, а эмиттер выходного транзистора 4 связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя через второй 12 источник напряжения смещения. Для достижения поставленной цели напряжения на первом 10 и втором 12 источниках напряжения смещения выбираются исходя из выражения
,
где  - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;
эб.4
эб
U - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (U≈0,7÷0,8 В);
10
Е - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;
12
Е - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме на фиг.2.
0
2
3
Если суммарный ток общей эмиттерной цепи ДУ (1) (фиг.2) равен 2I, то токи коллекторных выходов I (2) и I (3):
б.р
где I - ток базы n-p-n транзистора.
к
э
На основе первого закона Кирхгофа можно записать следующие уравнения для коллекторных (I) и эмиттерных (I) токов
Поэтому для узла «В»
С учетом уравнений (1) и (2) находим, что в узле «В» происходит взаимная компенсация базовых токов однотипных транзисторов
см
р
см
см
р
см
вх
(+)
(-)
Как следствие, это не требует смещения нуля ДУ1 на величину напряжения U, подача которого на входы Вх.1, Вх.2 компенсирует разностный ток I в узле «В». 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 напряжения u ДУ (фиг.3) в выходной ток узла «А»
,
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.1 - фиг.3
,
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (табл.1), чем в заявляемой схеме.
Таблица 1
Систематическая составляющая напряжения смещения нуля сравниваемых ОУ при различных Е<sub>10</sub> и E<sub>12</sub>
Параметры
U<sub>см</sub>
Прототип
Заявляемая схема
1
2
3
Е<sub>10</sub>=3,6 В
Е<sub>12</sub>=0,7 В
2,0 мВ
88,0 мкВ
Е<sub>10</sub>=0,7 В
Е<sub>12</sub>=3,6 В
1,83 мВ
98,4 мкВ
Е<sub>10</sub>=4,3 В
Е<sub>12</sub>=0
2,9 мВ
86,6 мкВ
см
см
Кроме этого величина второй составляющей U, обусловленной внутренней обратной связью в транзисторах ДУ(1), а также 7 и 8 уменьшается более чем на порядок. При этом условие минимизации этой составляющей U определяются формулой изобретения:
где  - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;
эб.4
эб
U - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (U≈0,7÷0,8 В);
10
Е - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;
12
Е - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.
10
12
см
см
Компьютерное моделирование схем фиг.3 (табл.1) подтверждает данные теоретические выводы - в заявляемом ДУ при соотношениях Е и Е, соответствующих формуле (10), напряжение U остается достаточно малым (88÷98,4 мкВ), а в ДУ-прототипе U=1,83÷2,9 мВ.
12
10
см
Выбирая Е исходя из заданной амплитуды выходного напряжения ДУ, необходимо обеспечить строго определенное значение Е (10), минимизирующее U более чем на порядок.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №4.042.886.
2. Патент Японии JP 10032437.
3. Патент Японии JP 2005033558.
4. Патент США №4.595.883, fig.4.
5. Патентная заявка США №2005/0063270 А1, fig.2.
6. Патент США №5.166.638, fig.1.
7. Патент США №5.537.081, fig.3.
8. Патент США №6.114.904.