ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
DIFFERENTIAL OPERATING 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, в компараторах и решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.
Особое место занимают дифференциальные операционные усилители (ОУ) с активной нагрузкой, обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем. Такие ОУ имеют одноканальную структуру передачи сигнала по цепи общей отрицательной обратной связи и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ.
Предлагаемое изобретение относится к классу ОУ на базе несимметричных входных каскадов [1-11], которые до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в патенте США №4415868 fig.3, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов токовые зеркала с несимметричным включением (по отношению к входному каскаду).
см
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), зависящей от свойств его архитектуры.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U, а также его температурного и радиационного дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, буферный усилитель 5, входной транзистор 6 которого связан с его входом, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый дополнительный транзистор 8, эмиттер которого подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику  база связана с эмиттером входного транзистора 6 буферного усилителя 5, выходом устройства, и вторым дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 9, коллектор подключен к выходу токового зеркала 4, второй выход 2 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом токового зеркала 4 и базой входного транзистора 6 буферного усилителя 5, причем второй токовый выход 3 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом дополнительной цепи согласования потенциалов 10.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На фиг.3 и 4 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.3 и 4.
Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, буферный усилитель 5, входной транзистор 6 которого связан с его входом, первый токостабилизирующий двухполюсник 7. В схему введен первый дополнительный транзистор 8, эмиттер которого подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 7, база связана с эмиттером входного транзистора 6 буферного усилителя 5, выходом устройства и вторым дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 9, коллектор подключен к выходу токового зеркала 4, второй выход 2 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом токового зеркала 4 и базой входного транзистора 6 буферного усилителя 5, причем второй токовый выход 3 входного дифференциального каскада 1 соединен с выходом дополнительной цепи согласования потенциалов 10.
Кроме этого на фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 11, 12 и двухполюснике 13.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (U) в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
0
Если ток двухполюсника 13 равен величине 2I, а двухполюсника 7 - величине I, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:
б.i
э.i
i
б.р
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-р-n (I) транзисторов при эмиттерном токе I=I;
вх.4
вых.4
I=I - входной и выходной токи токового зеркала 4;
i
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов.
Поэтому разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
б.6
где I≈0 - ток базы входного транзистора 6.
см
см
p
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (5) 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 в выходной ток узла «А»:
э12
э11
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 12 и 11 входного дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
В ОУ -прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая
см
U получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.
Компьютерное моделирование схем фиг.3 и 4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.
Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий, предлагаемый ОУ и в этих условиях имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.
см
Включение дополнительной цепи согласования потенциалов 10 способствует симметрированию режимов работы входного дифференциального каскада 1, повышению стабильности U. В качестве цепи согласования потенциалов могут использоваться резистивно-диодные делители напряжения питания, каскодные усилители и т.п.
Замечательная особенность заявляемого ОУ - взаимная компенсация в узле А паразитных токов через емкости коллектор-база транзисторов 12 и 8. Это расширяет частотный диапазон ОУ при работе в схемах со 100% обратной связью.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей современных систем на кристалле.
Библиографический список
1. Патент США №4415868 fig.3.
2. Патент ФРГ №2928841 fig.3.
3. Патент Японии JP 54-34589, кл. 98 (5) А014.
4. Патент Японии JP 154-10221, кл. H03F 3/45.
5. Патент Японии JP 54-102949, кл. 98 (5) А21.
6. Патент США №4366442 fig.2.
7. Патент США №6426678.
8. Патентная заявка США 2007/0152753, fig.5c.
9. Патент США №6531920, fig.4.
10. Патент США №4262261.
11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).