КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
CASCODE DIFFERENTIAL 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, 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 каскодные ДУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов и характеризующиеся повышенным частотным диапазоном. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.
Среди достаточно большого многообразия каскодных ДУ (КДУ) можно выделить три следующих подкласса устройств, содержащих в качестве обязательных элементов прецизионное токовое зеркало в цепи нагрузки входного каскада и выходной буферный усилитель:
1. КДУ на р-n-р входных транзисторах [1-4].
2. КДУ на n-р-n входных транзисторах [5-10].
3. «Перегнутые» каскодные ДУ [11-21].
При этом наибольшая прецизионность КДУ на постоянном токе реализуется в том случае, когда в качестве токовых зеркал в цепи нагрузки входного каскада применяются схемы Вильсона [11-21].
В качестве прототипа авторами выбран каскодный дифференциальный усилитель, входящий в структуру повторителя напряжения (стабилизатора) по патенту Франции 2.227.574 (схема fig.l при использовании следующих сочетаний функциональных узлов: fig. 3с и fig.4a). Это же техническое решение запатентовано еще в трех странах NL, DE, JP [7].
см
Существенный недостаток известного КДУ фиг.1 (так же как и КДУ трех рассматриваемых подклассов) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U).
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютных значений U и его температурного дрейфа.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (КДУ) фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 7 буферного усилителя 8, проводимость входного транзистора 9 которого совпадает с проводимостью первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, предусмотрены новые связи - база первого 4 выходного транзистора связана по переменному току со входом токового зеркала 6.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения для случая, когда транзисторы 4, 5 и 9 имеют р-тип проводимости.
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения для случая, когда транзисторы 4, 5 и 9 имеют р-тип проводимости.
На фиг.4 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения для случая, когда неинвертирующий усилитель тока 16 реализован на полевом транзисторе.
На фиг.5 показана схема каскодного дифференциального усилителя по п.3 формулы изобретения на базе так называемого «перегнутого» каскода [11-21], в котором входной дифференциальный каскад 1 выполнен на элементах 18-22, а транзисторы 4, 5, 9 - р-n-р типа.
см
На фиг.6 представлена схема КДУ фиг.5 для случая, когда в нее введен транзистор терморадиационной компенсации 23, обеспечивающий компенсацию нестабильности токов через закрытый р-n переход на подложку транзистора 16. Это повышает стабильность U при температурах более 70-80°.
На фиг.7 показана схема каскодного дифференциального усилителя - прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при идеальном токовом зеркале 6.
На фиг.8 показана схема КДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» при идеальном токовом зеркале 6.
На фиг.9 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля КДУ фиг.7 и фиг.8.
На фиг.10 приведена схема КДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для идеального токового зеркала 6.
На фиг.11 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля КДУ фиг.7 и фиг.10.
На фиг.12 приведена схема КДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для токового зеркала Вильсона 6.
На фиг.13 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля КДУ фиг.12 и фиг.7.
На фиг.14 показаны температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.7 (прототип), фиг.8, фиг.10 и фиг.12.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами, токовое зеркало 6, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 7 буферного усилителя 8, проводимость входного транзистора 9 которого совпадает с проводимостью первого 4 и второго 5 выходных транзисторов. База первого 4 выходного транзистора связана с его коллектором.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 4 выходного транзистора соединен со входом токового зеркала 6 через цепь смещения потенциалов 15.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, база первого 4 выходного транзистора связана с его коллектором через неинвертирующий повторитель тока 16 на основе транзистора, включенного по схеме с общей базой.
В схеме фиг.4 неинвертирующий повторитель тока 16 реализован на полевом транзисторе.
Схема фиг.5 реализована на основе входного каскада (элементы 18, 19, 20, 21 и 22) и «перегнутого» каскода [11-21].
см
На фиг.6 в схему введен дополнительный транзистор 23 терморадиационной компенсации, база которого соединена с базой транзистора неинвертирующего повторителя тока 16, а коллектор связан с выходом токового зеркала 6. Его введение уменьшает U при высоких температурах.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2.
0
Если ток двухполюсника 14 равен величине 21 (например, 2 мА), то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4 и 5:
б.р
э.i
i
эi
0
где I=I/β - ток базы n-p-n транзисторов при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзистора.
вх.6
вых.6
Поэтому входной (I) и выходной (I) токи токового зеркала 6
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
б.р
где I=2I - ток базы n-p-n транзистора 9 буферного усилителя 8.
см
Подставляя (1)÷(6) в (7) находим, что разностный ток, определяющий U
см
р
см
вх
Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u КДУ в выходной ток узла «А»:
э12
э13
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных
транзисторов 12 и 13 дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.1 - фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
см
см
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (фиг.7, U=-l,36 мВ), чем в заявляемой схеме (U=-0,11 мВ).
Компьютерное моделирование сравниваемых схем (фиг.9) подтверждает данные теоретические выводы.
Если необходимо обеспечить симметрию амплитуд положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения КДУ фиг.2, то следует ввести цепь смещения потенциалов 11.
Особенность схемы фиг.3 - введение неинвертирующего повторителя токов 16. При этом отпадает необходимость включения цепи смещения потенциалов (фиг.2).
см
В схеме фиг.4 обеспечиваются не только эффекты компенсации U, но создается так называемое «следящее питание» транзисторов 12 и 13, что повышает ослабление синфазных сигналов.
см
см
Для минимизации U при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.6 предусмотрен транзистор 23, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n переход транзистора 16. Это существенно уменьшает производную dU /dT при t°>80°C.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянно тока.
Литература
1. Патент США №4.232.273.
2. Патентная заявка США №2007/0115056, fig.2 (Hitachi).
3. Патент США №4.801.893.
4. Патентная заявка США №2008/0136522.
5. Патентная заявка США №2007/0115056, fig.1.
6. Патентная заявка США №2007/0188191, fig.2.
7. Патент Франции 2.227.574 fig.2+fig. 3с+fig.4a.
8. Патент Швеции №359989.
9. Патент Японии JP 53-35352.
10. Патент Японии JP 61264806.
11. Патент США №6.114.234.
12. Патент США№5.091.701, fig.1.
13. Патент США№5.140.280.
14. Патент США №5.786.729.
15. Патент США №6.448.853.
16. Патент США №4.390.850.
17. Патент США №5.327.100 fig.2.
18. Патент США №6.4383.382 fig.2, fig.1.
19. Патент США №5.374.897.
20. Патент США №6.529.076.
21. Патент США №5.627.495 fig.2.