ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ВХОДНЫХ ТОКОВ

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым дифференциальным усилителям (ДУ) и может использоваться для построения малошумящих предварительных усилителей в фотоприемных устройствах (ФПУ).
Известна схема компенсации входных токов дифференциальных и операционных усилителей на биполярных транзисторах (Интегральные микросхемы. Операционные усилители. Том 1, издательская фирма «Физико-математическая литература», В.О. Наука, 1993 г., сс.88, 108). Данная схема компенсации является сложной и не обладает стойкостью к воздействию ионизирующих излучений, приводящих к резкому падению коэффициента передачи по току у обычно используемых горизонтальных р-n-р транзисторов.
Известен малошумящий дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах с повышенной устойчивостью к воздействию ионизирующих излучений (см. Свидетельство на полезную модель №16321 от 14.07.2000 г.).
Данный усилитель, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип.
Данный усилитель имеет ряд недостатков. Основным недостатком является относительно большой уровень входных токов, что затрудняет его использование в предварительных усилителях с большим коэффициентом усиления.
Настоящее предложение решает задачу построения твердотельного малошумящего дифференциального усилителя с повышенной устойчивостью к воздействию ионизирующих излучений и с компенсацией входных токов в двух возможных типах исполнения: (так же, как и в прототипе) с внутренней цепью обратной связи, определяющей коэффициент усиления усилителя и в режиме операционного усилителя с внешней цепью обратной связи.
Для решения этой задачи в усилитель на биполярных транзисторах, содержащий входной усилительный дифференциальный каскад на входных транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, цепи нагрузки, подключенные к положительному источнику питания усилителя, источник тока в цепи эмиттеров входных транзисторов, между которыми включен первый низкоомный резистор обратной связи, последующие усилительные каскады, в том числе выходной, причем источник тока имеет управляющий вход, соединенный с последующими каскадами усиления, а между выходом усилителя, являющимся выходом последующих каскадов усиления, и эмиттером входного транзистора неинвертирующего входа включен второй резистор обратной связи, определяющий вместе с первым низкоомным резистором обратной связи
величину коэффициента усиления усилителя, введены две схемы компенсации входных токов в виде четырехполюсников, каждая из которых расположена между цепью нагрузки и точкой соединения коллектора входного транзистора и последующих каскадов усиления и содержит транзистор-компенсатор входного тока и транзистор-датчик тока противоположных полярностей, причем эмиттер транзистора-датчика тока, имеющего тот же тип проводимости, что и входной транзистор, соединен с коллектором входного транзистора, коллектор транзистора-датчика тока соединен с эмиттером транзистора-компенсатора входного тока и с цепью нагрузки, а база транзистора-датчика тока соединена с первым коллектором транзистора-компенсатора входного тока, второй коллектор транзистора-компенсатора входного тока подключен к базе входного транзистора, а базы транзисторов-компенсаторов входного тока обеих схем компенсации соединены между собой и подключены к источнику напряжения смещения.
На фигуре представлена структурная электрическая схема усилителя, где 1 и 2 - входные транзисторы, 3 - источник тока, 4 и 9 - схемы компенсации входных токов, 5 и 10 - транзисторы-датчики тока, 6 и 11 - транзисторы-компенсаторы входного тока, 7 и 8 - цепи нагрузки, 12 - каскады усиления, 13 - первый низкоомный резистор обратной связи, 14 - второй резистор обратной связи.
Заявляемый ДУ содержит усилительный дифференциальный каскад на входных транзисторах 1 и 2, включенных по схеме с общим эмиттером
со схемами компенсации входных токов 4 и 9 в виде четырехполюсников и последовательно с ними включенными цепями нагрузки 7 и 8, подключенными к положительному источнику питания усилителя. Эмиттеры входных транзисторов соединены с источником тока 3, а между ними включен первый низкоомный резистор обратной связи 13. Коллекторы входных транзисторов 1 и 2 соединены с последующими каскадами усиления 12. Выход усилителя, являющийся выходом последующих каскадов усиления, через второй резистор обратной связи 14 соединен с эмиттером входного транзистора 2 неинвертирующего входа усилителя. Коэффициент усиления усилителя определяется соотношением второго резистора обратной связи 14 и первого низкоомного резистора обратной связи. Источник тока 3 управляется от последующих каскадов усиления 12. Каждая из схем компенсации входных токов 4 и 9 содержит транзистор-датчик входного тока 5 и 10, имеющий ту же проводимость, что и входной транзистор 1 и 2 и двухколлекторный транзистор-компенсатор входного тока 6 и 11, имеющий противоположную полярность. Первый коллектор транзистора-компенсатора входного тока подключен к базе транзистора-датчика тока, а второй коллектор - к базе входного транзистора, осуществляя компенсацию входного тока усилителя. Эмиттер транзистора-датчика тока соединен с коллектором входного транзистора, а его коллектор соединен с эмиттером транзистора-компенсатора входного тока. Базы транзисторов-компенсаторов входного тока 6 и 11 обеих схем компенсации соединены между собой и
см
подключены к положительному источнику напряжения смещения (+U). Источник тока 3 подключен к отрицательному источнику питания усилителя. Цепи нагрузки подключены к положительному источнику питания усилителя. Последующие каскады подключены к положительному и отрицательному источникам питания усилителя.
Предлагаемый усилитель работает следующим образом. Работа усилителя с точки зрения прохождения входного сигнала и обеспечения режима работы по постоянному току аналогична работе прототипа и известному общему принципу работы дифференциальных усилителей. Предлагаемый усилитель может работать аналогично прототипу в двух режимах. Первый режим работы - усилитель с внутренней обратной связью на кристалле усилителя. При этом коэффициент усиления усилителя определяется соотношением номиналов резисторов обратной связи 14 и 13. Второй режим работы - частный случай первого. Это - работа в режиме операционного усилителя с внешней обратной связью. Для этого требуется нулевое сопротивление первого низкоомного резистора обратной связи 13 и обрыв цепи второго резистора обратной связи 14.
Каждая из схем компенсации входных токов работает следующим образом. Транзистор-датчик входного тока, включенный последовательно с входным транзистором имеет ток коллектора, близкий к току коллектора входного транзистора с точностью до входного тока последующих каскадов усиления. Поэтому токи баз транзисторов-датчиков тока и токи
входных транзисторов оказываются близкими при близости коэффициентов передачи по току этих транзисторов в штатном режиме работы усилителя. На этом и основан предлагаемый принцип компенсации входных токов усилителя. Транзистор-датчик входного тока с помощью транзистора-компенсатора входного тока охвачен глубокой отрицательной обратной связью, в результате чего рабочий ток транзистора-датчика подстраивается под рабочий ток входного транзистора. В результате входной ток транзистора-датчика становится равным току второго коллектора транзистора-компенсатора входного тока. Кроме того, обеспечивается высокое входное сопротивление схемы компенсации со стороны эмиттера транзистора-датчика тока, что улучшает качество работы усилителя по переменному току. Если площади обоих коллекторов транзистора-компенсатора входного тока одинаковы, то одинаковыми оказываются и токи этих коллекторов, что и обеспечивает компенсацию входного тока входного транзистора за счет подключения к его базе первого коллектора транзистора-компенсатора входного тока. В случае необходимости, например при заметном входном токе последующих каскадов усиления, или при отличиях в коэффициенте передачи по току входных транзисторов и транзисторов-датчиков тока можно повысить точность компенсации входных токов за счет изменения соотношения площадей двух коллекторов транзистора-компенсатора входного тока.
Следует отметить два важных преимущества предлагаемой схемы компенсации входных токов. Первое - простота схемы и универсальность
ее применения для широкого круга схемотехнических вариантов дифференциальных усилителей. Второе - высокая устойчивость схемы компенсации входных токов к воздействию ионизирующих излучений. Это связано с тем, что даже при резком падении коэффициента передачи по току у транзистора-компенсатора при воздействии ионизирующих излучений (что характерно для горизонтальных р-n-р транзисторов) происходит лишь незначительное уменьшение рабочих (коллекторных) токов входных транзисторов, а точность компенсации не ухудшается, так как определяется соотношением площадей коллекторов транзистора-компенсатора входного тока.
Были изготовлены и испытаны экспериментальные образцы предлагаемого усилителя в виде микросхем ДУ двух типов: операционный усилитель с внешней обратной связью и ДУ с внутренней обратной связью на кристалле.
На изготовленных образцах были получены следующие основные параметры (при нормальных климатических условиях):
- напряжение смещения нуля, не более
5 мВ
- ток потребления на 1 канал, не более
4,5 мА
- коэффициент усиления, не менее
10<sup>5</sup>
- входной ток, не более
0,75 мкА
- разность входных токов, не более
0,2 мкА
- нормированная э.д.с. шума, не более
<img he="6" wi="20" file="00000002.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
Все экспериментальные образцы обладали повышенной стойкостью к воздействию ионизирующих излучении.