ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
DIFFERENTIAL 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 компараторах, прецизионных аналоговых интерфейсах с малыми значениями э.д.с. смещения нуля и т.п.).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.
см
см
см
см
0
Известны схемы двухкаскадных операционных усилителей на основе трех токовых зеркал и выходного эмиттерного повторителя, которые стали основой многих серийных микросхем (КР1427УД1, NE5517, СА3078, МА2700, LM13600 и др.). Однако они характеризуются сравнительно большими уровнями напряжения смещения нуля (U). Так для микросхемы КР1427УД1 в соответствии с ее паспортными данными U≈5 мВ. Во многих случаях это неприемлемо и поэтому в практические схемы на основе таких ОУ включается внешняя регулировка U или лазерная подгонка резисторов для минимизации U при одной (Т) или нескольких температурах.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому схемотехническому решению является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в справочнике «Операционные усилители и компараторы» (М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.225, ОУ КР1427 УД1), которая также присутствует в большом числе других патентов и литературных источников, например, [2-12].
см
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), зависящей от свойств его архитектуры.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, второй 4 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 5 источником питания, база соединена с эмиттером первого 3 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с первым 6 источником опорного тока, вспомогательный р-n-переход 7, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 4 вспомогательного транзистора, первое токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход связан со вторым 9 источником питания, а коллекторный выход связан со входом второго 10 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен к первому 5 источнику питания, третье токовое зеркало 11, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, общий эмиттерный выход подключен ко второму 9 источнику питания, а коллекторный выход соединен с коллекторным выходом второго 10 токового зеркала и базой выходного транзистора 12, эмиттер выходного транзистора 12 соединен с выходом устройства 13 и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первому 5 источнику питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 15, эмиттер которого соединен с базой первого 3 вспомогательного транзистора, база подключена к коллектору второго 4 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с коллектором второго 2 входного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
Схема фиг.3 соответствует п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа, а на фиг.5 - заявляемого ДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.4, фиг.5.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, второй 4 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 5 источником питания, база соединена с эмиттером первого 3 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с первым 6 источником опорного тока, вспомогательный р-n-переход 7, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 4 вспомогательного транзистора, первое токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, общий эмиттерный выход связан со вторым 9 источником питания, а коллекторный выход связан со входом второго 10 токового зеркала, общий эмиттерный выход которого подключен к первому 5 источнику питания, третье токовое зеркало 11, вход которого связан с коллектором второго 2 входного транзистора, общий эмиттерный выход подключен ко второму 9 источнику питания, а коллекторный выход соединен с коллекторным выходом второго 10 токового зеркала и базой выходного транзистора 12, эмиттер выходного транзистора 12 соединен с выходом устройства 13 и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первому 5 источнику питания. В схему введен дополнительный транзистор 15, эмиттер которого соединен с базой первого 3 вспомогательного транзистора, база подключена к коллектору второго 4 вспомогательного транзистора, а коллектор связан с коллектором второго 2 входного транзистора.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 16, коллектор которого подключен ко входу первого 8 токового зеркала, а объединенные эмиттер и база соединены с первым 5 источником питания.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
Если ток двухполюсника 6 равен величине 2I, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4, 3, 15, 1, 2, 12:
б.р
э.i
i
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n-транзисторов 1, 2, 3, 4, 12 при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n-транзисторов.
вх
вых
Входной I и выходной I токи токовых зеркал 8, 11 и 10
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
б.12
б.р
где I=2I - ток базы n-p-n-транзистора 12.
см
Подставляя (1)-(9) в (10), находим, что разностный ток, определяющий U
см
см
р
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (10) 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 ОУ в выходной ток узла «А»:
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2.
Поэтому для схемы фиг.3
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
см
см
В ОУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (U=1119 мкВ), чем в заявляемой схеме (U=34,8 мкВ).
Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6) данные теоретические выводы.
см
см
Для минимизации U при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.3 предусмотрен транзистор 16, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n-переход на подложку (фиг.5), который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n-переход транзистора 15 (фиг.5). Это существенно уменьшает производную dU/dT при t°>80°С.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Источники информации
1. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.225.
2. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е.Полонников. - М., 1983. - С.203.
3. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.106 (ОУ СА3078).
4. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.2.12.
5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст]: Пер. с нем. / П.Шкритек - М.: Мир, 1991. - С.96, рис.8.2.1.
6. Патент США №3.982.197.
7. Патент США №4.799.026.
8. Патентная заявка США №2006/0006910.
9. Патент США №4.361.815.
10. Патент США №5.371.476.
11. Патентная заявка США 2008/0032656.
12. Патент США №3.921.090 fig.1.