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 прецизионных 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 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№4.366.442 fig.2, которая также присутствует в большом числе других патентов, например, [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов управляемые токовые зеркала. В рамках такой архитектуры возможно построение простейших ОУ, обеспечивающих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжениям источников питания.
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 и 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, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход подключен к базе входного транзистора 5 выходного буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 8 и второй 9 дополнительные транзисторы, а также второй 10 токостабилизирующий двухполюсник, причем коллектор второго 9 дополнительного транзистора соединен с выходом токового зеркала 4, база соединена с эмиттером входного транзистора 5 буферного усилителя 6, а также с выходом устройства и вторым 10 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого 8 дополнительного транзистора соединен с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к эмиттеру второго 9 дополнительного транзистора, а база второго 8 дополнительного транзистора связана с цепью смещения потенциалов 11.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2, а на фиг.4 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.5 и фиг.6 показаны схемы дифференциального ОУ-прототипа (фиг.5) и заявляемого ОУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.5 и фиг.6.
Дифференциальный операционный усилитель (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход подключен к базе входного транзистора 5 выходного буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник. В схему введен первый 8 и второй 9 дополнительные транзисторы, а также второй 10 токостабилизирующий двухполюсник, причем коллектор второго 9 дополнительного транзистора соединен с выходом токового зеркала 4, база соединена с эмиттером входного транзистора 5 буферного усилителя 6, а также выходом устройства и вторым 10 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого 8 дополнительного транзистора соединен с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к эмиттеру второго 9 дополнительного транзистора, а база второго 8 дополнительного транзистора связана с цепью смещения потенциалов 11. Входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 12, 13 и двухполюснике 14.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве цепи смещения потенциалов 11 используется дополнительный p-n-переход 15, включенный между выходом устройства и вторым 10 токостабилизирующим двухполюсником.
На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 8 дополнительный транзистор содержит основной и дополнительный коллекторы, причем основной коллектор соединен с эмиттером второго 9 дополнительного транзистора, а дополнительный коллектор подключен к эмиттеру входного 5 транзистора буферного усилителя 6.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
0
7
10
0
Если ток двухполюсника 14 равен величине 2I, а двухполюсников 7 и 10 - величине I (I=I=I), то токи коллекторов транзисторов схемы:
б.р
э.i
i
б.р
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) транзисторов при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов;
вх.4
вых.4
I=I - входной и выходной токи токового зеркала 4.
С учетом (1)-(6) можно найти разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину:
б.5
б.р
где I=I - ток базы n-p-n транзистора 5.
см
см
р
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (7) 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»:
э13
э12
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 12 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 (фиг.5, фиг.6).
Компьютерное моделирование схем фиг.5 и фиг.6 подтверждает (фиг.7) данные теоретические выводы.
Кроме этого несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий предлагаемый ОУ имеет в этих условиях меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.
В схеме фиг.3, соответствующей п.2 формулы изобретения, статический режим по цепи базы транзистора 8 устанавливается p-n-переходом 15 и двухполюсником 10.
14
0
э
0
Особенность схемы фиг.4 состоит в том, что здесь статический режим транзистора 5 устанавливается не только двухполюсником 10, но и дополнительным коллектором транзистора 8. Это повышает стабильность нуля при нестабильностях токов I=2I и I=2I
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Литература
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).