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 э.д.с. 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 отрицательной обратной связи и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ.
Предполагаемое 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 №4.415.868 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 предполагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Дополнительная цель - создание на базе известного ОУ схемы с двумя дифференциальными входами - (мультидифференциального ОУ, имеющего широкие перспективы [12, 13]).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый выходной транзистор 4, коллектор и база которого соединены с базой второго 5 выходного транзистора, третий выходной транзистор 6, база которого соединена с коллектором второго 5 выходного транзистора и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, буферный усилитель 8, вход которого соединен с коллектором третьего 6 выходного транзистора и вторым 9 токостабилизирующим двухполюсником, причем эмиттеры первого 4, второго 5, третьего 6 выходных транзисторов связаны с шиной 10 источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, а базы являются первым 13 и вторым 14 дополнительными входами устройства, причем коллектор первого 11 дополнительного транзистора соединен с базой второго 5 выходного транзистора.
Варианты схемы усилителя-прототипа на p-n-p и n-p-n транзисторах показаны на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 и 4 показаны схемы дифференциального ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда входы 13 и 14 (фиг.2) не используются.
На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.3 и 4.
На фиг.6 показана схема фиг.2 для случая, когда используются входы 13 и 14, входы Вх.1 и Вх.2 связаны с общей шиной.
На фиг.8 приведены результаты компьютерного моделирования схем фиг.3 и 6.
Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый выходной транзистор 4, коллектор и база которого соединены с базой второго 5 выходного транзистора, третий выходной транзистор 6, база которого соединена с коллектором второго 5 выходного транзистора и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый токостабилизирующий двухполюсник 7, буферный усилитель 8, вход которого соединен с коллектором третьего 6 выходного транзистора и вторым 9 токостабилизирующим двухполюсником, причем эмиттеры первого 4, второго 5, третьего 6 выходных транзисторов связаны с шиной 10 источника питания. В схему введен первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, а базы являются первым 13 и вторым 14 дополнительными входами устройства, причем коллектор первого 11 дополнительного транзистора соединен с базой второго 5 выходного транзистора.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 и коллектор второго 12 дополнительного транзистора связаны с шиной источника питания 10 через первый 15 и второй 16 дополнительные двухполюсники (p-n переходы).
Входной дифференциальный каскад на фиг.2 выполнен на транзисторах 17, 18 и двухполюснике 19.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.
0
Если токи двухполюсников 19, 7 и 9 равны величине 2I, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:
б.i
э.i
i
б.р
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) или p-n-p (I) транзисторов при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов.
Поэтому разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
б.6
б.n
где I=2I - ток базы p-n-p транзистора 6.
см
см
р
см
bx
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»:
э17
э18
где r=r сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 14 входного дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ОУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается, как минимум, на порядок больше, чем в заявляемой схеме.
Компьютерное моделирование схем фиг.3, и 4, и 6 подтверждает (фиг.5, 7) 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. Аналогичные свойства заявляемый ОУ имеет и по входам 13 и 14.
см
Замечательная особенность предлагаемой схемы - низкая чувствительность напряжения смещения нуля (U) к одновременному изменению под действием температуры или радиации трех токов  устанавливающих статический режим транзисторов.
Включение двухполюсников 15 и 16 способствует симметрированию режимов работы входного дифференциального каскада 1, а также дифференциального каскада на транзисторах 11 и 12.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в современных интерфейсах как мультидифференцильный операционный усилитель, относящийся к перспективной элементной базе [12, 13] современных систем связи и телекоммуникаций.
Источники информации
1. Патент США №4.415.868, 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 №4.366.442, fig.2.
7. Патент США №6.426.678.
8. Патентная заявка США 2007/0152753, fig.5c.
9. Патент США №6.531.920, fig.4.
10. Патент США №4.262.261.
11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).
12. Старченко Е.И. Операционные усилители с мультидифференциальными входными каскадами [Текст] / Е.И.Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов Международного научно-практического семинара: В 2-х ч. Ч.1. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2002 г. - С.35-42.
13. Крутчинский С.Г. Мультидифференциальные операционные усилители и прецизионная микросхемотехника [Текст] / С.Г.Крутчинский, Е.И.Старченко // Международный научно-технический журнал "Электроника и связь". - 2004. - №20. - С.37 - 45.