ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАССИВНЫМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ
DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIER WITH PASSIVE PARALLEL CHANNEL

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).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают комплементарные каскодные ОУ [1-11]. Такие ОУ имеют предельно простую структуру и характеризуются малым энергопотреблением.
Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема дифференциального ОУ фиг.1, представленная в патенте США №4.714.894, fig. 1, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например, [12-18]. Он содержит первый 1 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 2 шиной источника питания, а база подключена к первому 3 неинвертирующему входу устройства, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор соединен с неинвертирующим входом 5 первого 6 неинвертирующего каскада, согласованного со второй 7 шиной источника питания, выход устройства 8, соединенный с токовым выходом 9 первого 6 неинвертирующего каскада и связанный с первой 2 шиной источника питания через источник тока 10, второй 11 входной транзистор, база которого связана с первым 12 инвертирующим входом устройства, а эмиттер подключен к эмиттеру второго 13 выходного транзистора.
см
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), что связано с несимметрией его архитектуры. Кроме этого, известный ОУ характеризуется только двумя входами, что не позволяет отнести его к подклассу мультидифференциальных ОУ.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U, а также его температурного и радиационного дрейфа.
Дополнительная задача - увеличение числа дифференциальных входов ОУ.
Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 2 шиной источника питания, а база подключена к первому 3 неинвертирующему входу устройства, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор соединен с неинвертирующим входом 5 первого 6 неинвертирующего каскада, согласованного со второй 7 шиной источника питания, выход устройства 8, соединенный с токовым выходом 9 первого 6 неинвертирующего каскада и связанный с первой 2 шиной источника питания через источник тока 10, второй 11 входной транзистор, база которого связана с первым 12 инвертирующим входом устройства, а эмиттер подключен к эмиттеру второго 13 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первого 4 и второго 13 выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим р-n переходом, затворы которых соответствуют базам, истоки - эмиттерам, а стоки - коллекторам транзисторов, затвор второго 13 выходного транзистора соединен со вторым 14 неинвертирующим входом устройства, а сток подключен ко второй 7 шине источника питания, затвор первого 4 выходного транзистора соединен со вторым 15 инвертирующим входом устройства, причем в качестве источника тока 10 используется управляемый источник тока, неинвертирующий управляющий вход 16 которого соединен с коллектором второго 11 входного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема фиг.2 с конкретным выполнением первого 6 неинвертирующего каскада и управляемого источника тока 10.
На чертеже фиг.4 показана схема фиг.2 с другим вариантом выполнения первого 6 неинвертирующего каскада и управляемого источника тока 10.
На чертеже фиг.5 представлена схема усилителя фиг.3 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3.
На чертеже фиг.6 показана температурная зависимость напряжения смещения нуля операционного усилителя фиг.5.
На чертеже фиг.7 приведена схема усилителя фиг.3 в среде PSpice на моделях биполярных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» и полевых транзисторах АБМК_1_3 с конкретным выполнением буферного усилителя 24.
На чертеже фиг.8 представлена температурная зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг.7, а на чертеже фиг.9 - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика разомкнутого ОУ фиг.7.
Дифференциальный операционный усилитель с пассивным параллельным каналом фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 2 шиной источника питания, а база подключена к первому 3 неинвертирующему входу устройства, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого связан с эмиттером первого 1 входного транзистора, а коллектор соединен с неинвертирующим входом 5 первого 6 неинвертирующего каскада, согласованного со второй 7 шиной источника питания, выход устройства 8, соединенный с токовым выходом 9 первого 6 неинвертирующего каскада и связанный с первой 2 шиной источника питания через источник тока 10, второй 11 входной транзистор, база которого связана с первым 12 инвертирующим входом устройства, а эмиттер подключен к эмиттеру второго 13 выходного транзистора. В качестве первого 4 и второго 13 выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим р-n переходом, затворы которых соответствуют базам, истоки - эмиттерам, а стоки - коллекторам транзисторов, затвор второго 13 выходного транзистора соединен со вторым 14 неинвертирующим входом устройства, а сток подключен ко второй 7 шине источника питания, затвор первого 4 выходного транзистора соединен со вторым 15 инвертирующим входом устройства, причем в качестве источника тока 10 используется управляемый источник тока, неинвертирующий управляющий вход 16 которого соединен с коллектором второго 11 входного транзистора.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, база первого 1 входного транзистора и затвор первого 4 выходного транзистора соединены с общей шиной источников питания 17. При этом управляемый источник тока 10 реализован на основе двухполюсника 18, транзисторе 19 и цепи смещения потенциалов 20, а первый 6 неинвертирующий каскад выполнен на транзисторе 21, цепи смещения потенциалов 22 и двухполюснике 23.
На чертеже фиг.4 управляемый источник тока 10 реализован на основе р-n перехода 26, транзисторов 27 и 28, а первый 6 неинвертирующий каскад выполнен на транзисторе 29, р-n переходе 30 и транзисторе 31, а также резисторе 32. Схема также содержит буферный усилитель 33, выход которого 34 является выходом устройства.
CM
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
И
С
0
зи4
зи.13
0
см
Токи истока и стока полевых транзисторов 4 и 13 (I=I=I) зависят от крутизны их стокозатворной характеристики при U=U ≈0,7 В. При идентичных р-n переходах первого 1 и второго 11 входных транзисторов, а также идентичных полевых транзисторах 13 и 4, коллекторный ток транзистора 11 и ток истока транзистора 4 также будут равны величине I. Следовательно, при нулевом «разностном» токе в выходном узле 8 напряжение смещения нуля U рассматриваемого ОУ близко к нулю
<mrow><mi>U</mi><mi>с</mi><mi>м</mi><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.11</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.13</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mn>0,</mn><mtext>                                                                           (1)</mtext></mrow>
так как
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>    </mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.11</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                                             (2)</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>и</mi><mn>.4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.13</mn></mrow></msub><mtext>.                                                                                     </mtext></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>.8</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>.8</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>11</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><mn>13</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msubsup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                       (3)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>1</mn><mn>1</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 эмиттериого перехода транзистора 11;
13
S - крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора 13;
Т
φ=26 мВ - температурный потенциал;
н.экв
R - эквивалентное сопротивление нагрузки ОУ, подключаемой к выходу 8.
см
При изменении температуры (или уровня радиации) изменяется ток стока транзистора 13. Однако точно также (в связи с симметрией эмиттерных цепей транзисторов 11 и 1) изменяется ток истока транзистора 4 и коллекторный ток транзистора 11, которые передаются к выходному узлу 8 и компенсируют друг друга. В результате U схемы фиг.2 изменяется незначительно.
CM
Таким образом, в заявляемом устройстве в связи с симметрией схемы уменьшается систематическая составляющая напряжения смещения нуля Uи его дрейфа.
вх
вх.2
вх.1
см
В соответствии с п.2 формулы изобретения, входы 3 и 15 могут иногда не использоваться. В этом случае транзисторы 1 и 4 образуют пассивный канал, который не участвует в передаче входного сигнала (U=U-U) и служит только для компенсации напряжения смещения нуля ОУ. Однако компенсация U сохраняется и в случае использования входов 3 и 15 для подключения к другим входным напряжениям ДУ, который становится мультидифференциальным усилителем.
Таким образом, заявляемое устройство может иметь 4 входа, 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.
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. Патент US 4.714.894 fig. 1
13. Патент US 6.492.871 fig. 3b, fig. 5
14. Патент US 4.749.958 fig. 2
15. Патент US 4.749.831
16. Патент US 6.249.153 fig. 9
17. Патентная заявка US 2009/0033423
18. Патент SU 1283946.