КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

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, компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ДУ с каскодной архитектурой (КДУ), характеризующиеся наибольшей широкополосностью. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является классическая схема КДУ, фиг.1, представленная в виде промежуточного каскада КДУ по патентной заявке США №2008/0136522, которая присутствует в ряде других патентов [1-10].
см
Существенный недостаток известного КДУ, фиг.1, состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор подключен ко входу токового зеркала 4, а база соединена со вспомогательным источником напряжения 5, второй 6 выходной транзистор, эмиттер которого связан со вторым 7 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а коллектор подключен к выходу токового зеркала 4 и входу 8 буферного усилителя 9, причем проводимость входного транзистора 10 буферного усилителя 9 совпадает с проводимостью первого 2 и второго 6 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - база второго 6 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 2 выходного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения, реализованная на р-n-р транзисторах 2, 6, 10.
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения, реализованная на n-р-n транзисторах 2, 6, 10.
На фиг.4, соответствующей п.1 формулы изобретения, в качестве транзисторов 2, 6 и 10 используются n-p-n транзисторы, а во входном дифференциальном каскаде 1 - р-n-р транзисторы 16 и 17.
На фиг.5 представлена схема усилителя-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 представлена схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда в схеме используется идеальное токовое зеркало.
На фиг.7 приведены графики температурной зависимости напряжения смещения нуля схем на фиг.5 и фиг.6.
На фиг.8 представлена схема прототипа - фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда в ней используется реальное токовое зеркало Вильсона.
На фиг.9 представлена схема заявляемого устройства для случая, когда в ней используется реальное токовое зеркало Вильсона.
На фиг.10 приведены графики температурной зависимости напряжения смещения нуля схем на фиг.8 и фиг.9.
На фиг.11 показана схема на фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП Hi ill «Пульсар», а на фиг.12 - схема усилителя-прототипа, соответствующая схеме на фиг.1.
Каскодный дифференциальный усилитель, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор подключен ко входу токового зеркала 4, а база соединена со вспомогательным источником напряжения 5, второй 6 выходной транзистор, эмиттер которого связан со вторым 7 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а коллектор подключен к выходу токового зеркала 4 и входу 8 буферного усилителя 9, причем проводимость входного транзистора 10 буферного усилителя 9 совпадает с проводимостью первого 2 и второго 6 выходных транзисторов. База второго 6 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 2 выходного транзистора.
В схеме на фиг.3, а также на фиг.4 в соответствии с п.2 формулы изобретения эмиттер первого 2 выходного транзистора связан с первым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через вспомогательный двухполюсник (p-n переход) 15.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме на фиг.2.
к
э
вх.4
вых.4
На основе первого закона Кирхгофа можно записать следующие уравнения для коллекторных (I) и эмиттерных (I) токов транзисторов 2 и 6, а также входного (I) и выходного (I) токов токового зеркала 4:
б.р
где I - ток базы n-p-n транзисторов 2, 6, 10.
С учетом уравнений (1)-(6) находим, что в узле «А» происходит взаимная компенсация базовых токов однотипных транзисторов 6, 2, 10:
см
р
см
см
р
см
вх
(+)
(-)
Как следствие, это не требует смещения нуля ДУ на величину напряжения U, подача которого на входы Bx.1, Bx.2 компенсирует разностный ток I в узле «А». Таким образом, в заявляемом устройстве 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 преобразования входного напряжения u ДУ, фиг.2, в выходной ток узла «А»
э13
э14
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 14 дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы на фиг.2
Т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
р
б.n
см
см
см
В ДУ-прототипе I≠0 (I=I), поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (U=-652 мкВ), чем в заявляемой схеме (U=25 мкВ).
Компьютерное моделирование схем на фиг.5 и фиг.6, фиг.8 и фиг.9, фиг.11 и фиг.12 подтверждает данные теоретические выводы.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4.801.893, fig.6a.
2. Патентная заявка США 2007/0115056, fig.1.
3. А.с. СССР №922698.
4. Патент США №4.232.273.
5. Патент Японии №53-35352.
6. Патент Японии №1264806.
7. Патентная заявка США 2007/0188191.
8. Патентная заявка США 2007/0188191.
9. Патент Франции №2227574.
10. Патент США №3.482.177 fig.5.