ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
PRECISION 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, в прецизионных компараторах и операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).
В современной микроэлектронике широко используются каскодные дифференциальные усилители (КДУ). Среди них особое место занимают КДУ со следящим питанием, обеспечивающие повышенный коэффициент ослабления входных синфазных сигналов и работу входных транзисторов при малом напряжении коллектор-база в статическом режиме [1-21].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является схема ДУ фиг.1, представленная в патенте фирмы RCA Corporation США №3614645 фиг.2, которая также присутствует в большом числе других патентов [1-21].
см
Существенный недостаток известного КДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U).
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в прецизионном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого связаны с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник 6, связанный с эмиттерной цепью 7 входного дифференциального каскада 1 и эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого связан с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 11, связанному с базой входного транзистора 12 буферного усилителя 13, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 8 вспомогательного транзистора подключена к эмиттеру первого 4 выходного транзистора, а его коллектор соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем входной транзистор 12 буферного усилителя 13 имеет такой же тип проводимости, что и первый 8 вспомогательный транзистор.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.3 приведена схема КДУ, соответствующая п.1 и 2 формулы изобретения. Схема фиг.4 также соответствует п.1 и 2 формулы изобретения. Она используется для описания работы заявляемого устройства.
На фиг.5, 6 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа (фиг.5) и заявляемого КДУ [фиг.6 (п.1 формулы изобретения)] в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.5 и 6.
На фиг.8 показана схема КДУ, соответствующая п.2 формулы изобретения, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.9 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.5 и 8.
Прецизионный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого связаны с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый токостабилизирующий двухполюсник 6, связанный с эмиттерной цепью 7 входного дифференциального каскада 1 и эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого связан с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 11, связанному с базой входного транзистора 12 буферного усилителя 13. База первого 8 вспомогательного транзистора подключена к эмиттеру первого 4 выходного транзистора, а его коллектор соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, причем входной транзистор 12 буферного усилителя 13 имеет такой же тип проводимости, что и первый 8 вспомогательный транзистор.
В частном случае входной дифференциальный каскад 1 (фиг.2) выполнен на транзисторах 14 и 15.
В схеме КДУ фиг.3 первый токостабилизирующий двухполюсник 6 связан с первым 8 вспомогательным транзистором через дополнительную цепь согласования потенциалов 16, выполненную в частном случае на p-n-p транзисторе 17.
В схеме фиг.4 дополнительный эмиттерный повторитель 16 также реализован на транзисторе 17, а буферный усилитель 13 выполнен на транзисторе 12, токостабилизирующем двухполюснике 18 и цепи смещения потенциалов 19, с помощью которой устанавливается заданный диапазон изменения выходного напряжения КДУ.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.4, т.е. зависящие только от схемотехники КДУ.
0
вх.10
вых.10
Если ток общей эмиттерной цепи 7 КДУ фиг.4 равен величине 2I, то токи коллекторов транзисторов 14 и 15, токи эмиттеров транзисторов 4 и 5, а также входной (I) и выходной (I) токи подсхемы 10 находятся по формулам:
б.р
б.i
э.i
i
э.i
0
где I=I=I/β - ток базы n-p-n транзисторов при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов.
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
см
Подставляя (1)-(5) в (6), находим, что разностный ток в узле «А», определяющий U, близок к нулю:
см
р
см
вх
Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного дифференциального напряжения (u) КДУ в выходной ток узла «А»:
э15
э14
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 15 и 14 дифференциального каскада 1. Поэтому для схем фиг.1 - 4
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
см.1
см
В КДУ-прототипе фиг.1 I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается более чем на порядок больше (U=2 мВ), чем в заявляемой схеме (U=21,7 мкВ (фиг.5, 6)).
Компьютерное моделирование схем фиг.5, 6, 8 подтверждает (фиг.7, 9) данные теоретические выводы.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Библиографический список
1. Патент США №3614645, фиг.2.
2. Патент Англии №1274672, фиг.2.
3. Патент США №3482177.
4. Патент США №3614645.
5. Патент США №3660773.
6. Патент Англии №1334759.
7. Патент ФРГ №1214733.
8. Патент Франции №1484340.
9. Патент Франции №1584575.
10. Патент Швеции 359989.
11. Авт.св. СССР 970638.
12. Патент США №3938055.
13. Патентная заявка США №2007/0069815.
14. Патент США №5332937, фиг.2.
15. Патент ФРГ №2039399, фиг.4.
16. Авт.св. СССР 922698.
17. Патент Англии №1212342, фиг.1
18. Патент ЧССР №145527.
19. Патент США №4151483, фиг.3.
20. Патент США №4151484, фиг.3.
21. Патент Франции №2482177.