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, операционных усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля (ОУ)).
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-12], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.). В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 50 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ДУ, описанный в патенте фирмы National Semiconductor США №5420540 (фиг.1), содержащий входной 1 параллельно-балансный каскад, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого подключены к соответствующим первому 4 и второму 5 выходным транзисторам и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой 8 шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель 9, входной транзистор 10 которого имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, вспомогательный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора и через третий 12 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 13 шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем коллектор второго 5 выходного транзистора связан с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 9 и через четвертый 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 13 шиной источника питания.
см
Существенный недостаток известного каскодного дифференциального усилителя состоит в том, что он характеризуется сравнительно большим напряжением смещения нуля (U).
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля (U).
Поставленная задача достигается тем, что в известном ДУ, содержащем входной 1 параллельно-балансный каскад, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого подключены к соответствующим первому 4 и второму 5 выходным транзисторам и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой 8 шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель 9, входной транзистор 10 которого имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, вспомогательный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора и через третий 12 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 13 шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем коллектор второго 5 выходного транзистора связан с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 9 и через четвертый 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 13 шиной источника питания, предусмотрены новые связи - третий 12 и четвертый 14 токостабилизирующие двухполюсники выполнены на основе первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 17, эмиттеры связаны со второй 13 шиной источника питания через первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы, а коллектор вспомогательного транзистора 11 связан с эмиттером первого 15 дополнительного транзистора.
На фиг.1 показана схема каскодного дифференциального усилителя-прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого ДУ.
см
На фиг.3 представлен вариант построения ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь (без учета разброса параметров элементов) U=-1,35 мВ.
см
На фиг.4 представлен заявляемый ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь U=113,3 мкВ.
см
На фиг.5 приведена схема фиг.4 со специальным транзистором VT15, который повышает температурную стабильность U ДУ фиг.4.
см
На фиг.6 приведены температурные зависимости U ДУ фиг.3, фиг.4, фиг.5.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной 1 параллельно-балансный каскад, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого подключены к соответствующим первому 4 и второму 5 выходным транзисторам и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первой 8 шиной источника питания, выходной эмиттерный повторитель 9, входной транзистор 10 которого имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, вспомогательный транзистор 11, база которого подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора и через третий 12 токостабилизирующий двухполюсник соединена со второй 13 шиной источника питания, а эмиттер подключен к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем коллектор второго 5 выходного транзистора связан с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 9 и через четвертый 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 13 шиной источника питания. Третий 12 и четвертый 14 токостабилизирующие двухполюсники выполнены на основе первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 17, эмиттеры связаны со второй 13 шиной источника питания через первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы, а коллектор вспомогательного транзистора 11 связан с эмиттером первого 15 дополнительного транзистора.
В частном случае выходной эмиттерный повторитель 9 содержит резистор 10, а входной каскад 1 реализован на базе транзисторов 21, 22 и двухполюснике 23.
Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).
Статический режим по току транзисторов 4 и 5 ДУ фиг.2 определяется транзисторами 15 и 16. Токи коллекторов этих транзисторов:
Поэтому эмиттерные токи транзисторов 4 и 5
б.p
где I - ток базы транзисторов 4 и 5.
При идентичных резисторах 6 и 7 и одинаковых токах выходов 2 и 3 эмиттерный ток транзистора 5 будет равен эмиттерному току транзистора 4
Таким образом, ток коллектора транзистора 5
Для цепи базы транзистора 10 (узел «А»)
БУ
б.р
см
Из последнего уравнения следует, что при I=2I условием взаимной компенсации токов в цепи базы транзистора 10 и, как следствие, малых напряжений U будет равенство
см
Поэтому предлагаемая схема ДУ имеет более низкие значения U.
см
см
см
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.3, фиг.4, фиг.5. Численные значения систематической составляющей U (без учета разброса параметров элементов) лежат для предлагаемых схем в диапазоне до 150 мкВ. В то же время в ДУ-прототипе U изменяется единицами милливольт (U≈1,5 мВ).
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с ДУ-прототипом.
Источники информации
1. Патент США №5422600;
2. Патент США №4644295 (НА-2539);
3. Патент США №5734296;
4. Патент США №4293824;
5. Патент США №5420540;
6. Патент США №5952882;
7. Патент США №6717466;
8. Патент США №6542030;
9. Патент США №5422600;
10. Патент США №6456162;
11. Патент США №6456163;
12. Патент США №6617466.