ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
DIFFERENTIAL OPERATING AMPLIFIER WITH LOW ZERO OFFSET VOLTAGE

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 решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.
Особое место занимают дифференциальные операционные усилители (ОУ) с несимметричным включением активной нагрузки (токового зеркала), обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем (БУ). Такие ОУ обладают важным качеством - они имеют так называемый rail-to-rail выход («от шины питания до шины питания») и предельно простую структуру. Однако ОУ данного класса [1-11] до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня, так как их напряжение смещения нуля изменяется единицами-десятками милливольт.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в патенте США №4.415.868, fig. 3, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов токовые зеркала с несимметричным включением (по отношению к входному каскаду).
см
i
i
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), зависящей от погрешности передачи по току (K) применяемого токового зеркала. Особенно существенной эта погрешность получается при использовании в качестве токового зеркала простейших, но наиболее высокочастотных схемотехнических решений, для которых K≠1.
см
i
i
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току, не равный единице K≠1. Такое значение K характерно для многих классических токовых зеркал.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе, содержащем первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого связан с первым 2 токовым выходом первого 1 входного дифференциального каскада, а выход соединен со входом буферного усилителя 5 и источником опорного тока 6, эмиттерный выход первого 4 токового зеркала связан с шиной источника питания 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 8 входной дифференциальный каскад, первый 9 токовый выход которого соединен со входом второго 10 токового зеркала, а второй 11 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 10 токового зеркала и базой дополнительного транзистора 12, эмиттер которого подключен ко второму 3 токовому выходу первого 1 входного дифференциального каскада, а коллектор соединен с шиной источника питания 7.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства, соответствующая формуле изобретения.
На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
i
i
i12.4
i12.10
На фиг.5 показаны зависимости напряжения смещения прототипа и заявляемой схемы от коэффициента передачи по току K токовых зеркал 4 и 10 K=K=K.
На фиг.6 приведена температурная зависимость модуля напряжения смещения нуля схемы фиг.4.
Заявляемый дифференциальный операционный усилитель содержит первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого связан с первым 2 токовым выходом первого 1 входного дифференциального каскада, а выход соединен со входом буферного усилителя 5 и источником опорного тока 6, эмиттерный выход первого 4 токового зеркала связан с шиной источника питания 7. В схему введен второй 8 входной дифференциальный каскад, первый 9 токовый выход которого соединен со входом второго 10 токового зеркала, а второй 11 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 10 токового зеркала и базой дополнительного транзистора 12, эмиттер которого подключен ко второму 3 токовому выходу первого 1 входного дифференциального каскада, а коллектор соединен с шиной источника питания 7.
Первый 1 и второй 8 входные дифференциальные каскады в схеме фиг.2 реализованы соответственно на транзисторах 13, 14, двухполюснике 15, а также на транзисторах 16, 17 и двухполюснике 18.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (U) в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
0
Если величины токов двухполюсников 15 и 18 первого 1 и второго 8 входных дифференциальных каскадов равны 2I, а ток источника опорного тока 6 - величине I, то токи коллекторов транзисторов 13, 14, 16, 17 первого 1 и второго 8 входных дифференциальных каскадов определяются соотношениями:
б.р
0
i
э
0
где I=I/β - ток базы i-го n-p-n транзистора схемы при токе эмиттера I=I,
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.
Выходной ток второго 10 токового зеркала определяется как
p10
где I - разность токов на выходе и входе второго 10 токового зеркала, зависящая от его схемотехники.
1
Поэтому на основании закона Кирхгофа в узле A выполняется следующее токовое соотношение
Как следствие, токи на входе и выходе первого 4 токового зеркала определяются по формулам:
p4
где I - разность токов на входе и выходе первого 4 токового зеркала, зависящая от его схемотехники.
р
∑
БУ
Так как токовые зеркала 4 и 10 выполнены с использованием идентичных схемотехнических решений, то разность их токов ошибки I равна нулю. Поэтому разностный ток I в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину при I≈0 будет равен нулю:
см
см
∑
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (6) 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 S преобразования входного дифференциального напряжения u в разностный ток узла «А»:
э13
э14
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 14 первого 1 входного дифференциального каскада.
Поэтому для схемы фиг.2 напряжение смещения нуля
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
∑
см
В ОУ-прототипе I≠0. Поэтому здесь систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.
Компьютерное моделирование схем фиг.3, фиг.4 подтверждает (фиг.5, фиг.6) данные теоретические выводы.
Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных и тепловых воздействий предлагаемый ОУ и в этих условиях имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.
(-)
(+)
В ряде случаев в заявляемом ОУ могут использоваться входы второго 8 входного дифференциального каскада (Вх.3, Вх.4), что позволяет реализовать на его основе так называемые мультидифференциальные ОУ, имеющие большие перспективы применения в микросхемотехнике.
Таким образом, заявляемое устройство 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.
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.5c.
9. Патент США №6.531.920, fig.4.
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).