ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
OPERATIONAL 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 (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. Предполагаемое изобретение относится к данному типу ОУ [1-5].
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ОУ является классическая схема фиг.1, представленная в монографии Алексеенко А.Г. (Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры [Текст] /А.Г. Алексеенко. - Изд. 2-е. - М.: Сов. Радио, 1977. - С.285, рис.9.41), которая стала основой построения большого числа различных аналоговых устройств, например [2-5], в том числе выпускаемых ведущими микроэлектронными фирмами США [5].
см
у
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U) и невысокий коэффициент усиления по напряжению (К) без обратной связи. Это не позволяет реализовать на его основе различные решающие устройства с большим петлевым усилением и малой статической погрешностью.
см
у
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U при одновременном повышении К.
Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, первый 4 источник опорного тока, соединенный с базой первого 5 выходного транзистора и связанный со вторым 3 коллекторным выходом, второй 6 выходной транзистор, база которого подключена к эмиттеру первого 5 выходного транзистора, а эмиттер связан с выходом 7 операционного усилителя, цепь установления статического режима 8, связанную с выходом 7 операционного усилителя, предусмотрены новые элементы и связи - первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2, п.3 формулы изобретения. На фиг.3 представлена схема ОУ, также соответствующая п.1-п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 приведены токи в схеме ОУ фиг.2.
На фиг.5 показан частный случай выполнения ОУ фиг.2.
На фиг.6 показана схема ОУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
у
На фиг.7 показана зависимость Кот частоты ОУ фиг.5.
На фиг.8 приведена схема заявляемого ОУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.9 - амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг.8.
Операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, первый 4 источник опорного тока, соединенный с базой первого 5 выходного транзистора и связанный со вторым 3 коллекторным выходом, второй 6 выходной транзистор, база которого подключена к эмиттеру первого 5 выходного транзистора, а эмиттер связан с выходом 7 операционного усилителя, цепь установления статического режима 8, связанную с выходом 7 операционного усилителя. Первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора.
В частном случае (фиг.2, фиг.3, фиг.4) входной параллельно-балансный каскад 1 реализован на основе входных транзисторов 12, 13 и токостабилизирующих двухполюсниках 14 (15).
На фиг.2 - фиг.3, соответствующих п.2 формулы изобретения, эмиттер второго 6 выходного транзистора связан с выходом 7 операционного усилителя через первую 9 цепь согласования потенциалов.
В частном случае в качестве элементов 14 и 8 в схеме фиг.3 используются резисторы.
На фиг.3, соответствующей также п.3 формулы изобретения, цепь установления статического режима 8 связана с выходом 9 операционного усилителя через вторую 10 цепь согласования потенциалов.
На фиг.2, фиг.3, фиг.4, соответствующих п.4 формулы изобретения, первый 4 источник опорного тока связан со вторым 3 коллекторным выходом через дополнительный р-n переход 11.
В операционном усилителе фиг.2 входной дифференциальный каскад реализован на основе транзисторов 16, 17, 18, 19, р-n переходах 20, 21 и двухполюснике 22.
Рассмотрим работу схемы фиг.4 на постоянном токе.
4
14
15
8
0
В связи с конечной величиной коэффициента передачи тока базы применяемых транзисторов (β=50÷100) при одинаковых величинах токов источников 4, 14, 15 и 8 (I=I=I=I=I) для узлов «А» и «В» схемы можно составить следующие уравнения Кирхгофа:
бi
эi
i
см
Учитывая, что I=I/β из уравнения (1) следует, что в узле «А» обеспечивается полная взаимная компенсация всех токов, что является необходимым условием уменьшения U в данной схеме ОУ.
э5
0
б5
б13
Аналогично для узла «В» находим, что I=I, что создает достаточно точное условие компенсации тока I током I.
см
Таким образом, в предлагаемой схеме обеспечивается минимизация составляющей U, обусловленной токами базы применяемых транзисторов. Это позволяет рекомендовать ее для использования в радиационно стойких ОУ, так как под воздействием радиации β транзисторов меняется в несколько раз.
см
эб
кб
-3
Кроме этого в заявляемом ОУ обеспечивается уменьшение составляющей U, обусловленной внутренней обратной связью в транзисторах (µ=ΔU/AU≈10). Следует отметить, что при идентичных значениях µ всех транзисторов отличие статического режима входных транзисторов 12-13 по напряжению коллектор-база в ДУ-прототипе фиг.1 является основной причиной смещения его нуля. В заявляемом устройстве за счет введения элементов 11 и 10 обеспечиваются одинаковые условия для работы транзисторов 12 и 13, а также двухполюсников 14, 15 и 8. В целом это повышает стабильность нуля ОУ фиг.4.
Данные выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.6 и фиг.8 - систематическая составляющая напряжения смещения нуля уменьшается с 1,45 мВ (фиг.6) до 22 мкВ (фиг.8), т.е. более чем в 50 раз.
у
Замечательной особенностью предлагаемого усилителя является повышение (более чем на порядок) коэффициента усиления по напряжению К. Для ОУ прототипа фиг.1
3
где r - выходное сопротивление дифференциального каскада относительно выхода 3;
4
r - выходное сопротивление двухполюсника 4;
вх.5
5
6
н
R=ββR;
вх.5
Н
R - эквивалентное сопротивление нагрузки R, приведенное к узлу «А»;
э12
э13
- крутизна входного дифференциального каскада 1, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов транзисторов 12 и 13 (r, r);
5
6
β, β- коэффициент усиления тока базы транзисторов 5 и 6.
H
экв
В связи с тем, что β>50 при R≥1 кОм, эквивалентное сопротивление R в узле 3 определяется транзисторами 12 и 13:
где µ - коэффициент внутренней обратной связи транзистора.
Поэтому численные значения предельного коэффициента усиления ОУ фиг.1 по напряжению
у·mах
12
13
12
13
у
-1
В предлагаемом устройстве (фиг.2 - фиг.4) максимально возможный коэффициент усиления К≤|(µ-µ)|. Поэтому за счет минимизации влияния статического режима на разность коэффициентов внутренней обратной связи µ-µтранзисторов 12 и 13 коэффициент усиления по напряжению К схемы фиг.2 (фиг.3, фиг.4) возрастает более чем на порядок.
у
4
Действительно, компьютерное моделирование (фиг.7 и фиг.9) показывает, что заявляемый ОУ имеет более чем на 20 дБ большее усиление (К>10 или 82 дБ).
Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высокими качественными показателями, что позволяет рекомендовать его для массового применения в архитектуре аналоговых интерфейсов (особенно в тех случаях, когда требуются десятки-сотни операционный усилителей с малой потребляемой мощностью).
Источники информации
1. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры [Текст] /А.Г. Алексеенко. - Изд. 2-е. - М.: Сов. Радио, 1977, с.285, рис.9.41.
2. Патент США №5.262.688.
3. Патент Японии №51-112253.
4. Патент США №6.531.920 В1, fig.4.
5. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001, с.149, операционные усилители LF155, рис.1.