ДВУХКАСКАДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ
TWO-CASCADE DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH LOW SUPPLY VOLTAGE

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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают простейшие двухкаскадные ОУ [1-11], получившие широкое применение в IP-модулях современных систем на кристалле. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема фиг.1, представленная в патенте США№4.366.442 fig.2, которая также присутствует в других патентах и монографиях [1-11].
см
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U. Это обусловлено свойствами его архитектуры.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля U, а также его дрейфа в условиях структурной ассиметрии, а также температурных и радиационных воздействий.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе с малым напряжением питания (ДУ) фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, выход которого связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со входом токового зеркала 4, эмиттер входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с выходом устройства и подключен ко второму 8 дополнительному токостабилизирующему двухполюснику, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 подключен к выходу токового зеркала 4, первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с общей шиной источников питания через первую группу р-n переходов 9 и через вторую группу р-n переходов 10 связан с коллектором входного транзистора 5 буферного усилителя 6, причем коллектор входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с третьим 11 токостабилизирующим двухполюсником.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 приведена практическая схема ДУ (фиг.2), в которой р-n переходы 9 и 10 выполнены на основе интегральных транзисторов.
На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы ДУ - прототипа (фиг.4) и заявляемого ДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
см
На фиг.6 показаны результаты компьютерного моделирования схем фиг.4 и фиг.5 - зависимость напряжения смещения нуля U от температуры.
Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, выход которого связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник. Первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со входом токового зеркала 4, эмиттер входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с выходом устройства и подключен ко второму 8 дополнительному токостабилизирующему двухполюснику, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 подключен к выходу токового зеркала 4, первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с общей шиной источников питания через первую группу р-n переходов 9 и через вторую группу р-n переходов 10 связан с коллектором входного транзистора 5 буферного усилителя 6, причем коллектор входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с третьим 11 токостабилизирующим двухполюсником. Входной дифференциальный каскад 1 реализован на основе входных транзисторов 12, 13 и двухполюсника 14.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2.
0
0
Если ток двухполюсника 14 равен величине 2I, а двухполюсников 8 и 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 i-го n-p-n(I) транзистора при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.
вх.4
вых.4
Поэтому входной (I) и выходной (I) токи токового зеркала 4
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину:
БУ
б.р
где I=I - ток базы входного n-p-n транзистора 5 буферного усилителя 6.
см
Подставляя (1)÷(3) в (4), находим, что разностный ток, определяющий U ДУ, равен нулю:
p
см
р
(+)
(-)
Как следствие, при I=0 не требуется смещения нуля ДУ фиг.2 на величину U, подача которого на его входы Bx.1, Bx.2 компенсирует разностный ток I в узле «А».
см
Введение элементов 9, 10 и 11 создает режимные условия, при которых ток базы транзистора 5 и токи базы транзисторов 12 и 13 будут строго идентичны. Это необходимо для обеспечения эффекта их полной взаимной компенсации и уменьшения U более чем на порядок.
см
см
р
см
вх
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 дифференциального напряжения u ДУ в выходной ток узла «А»:
э12
э13
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 12 и 13 входного дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.1 и фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ДУ-прототипе (фиг.1) I≠0. Поэтому здесь систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме (фиг.6).
Компьютерное моделирование схем фиг.3 и фиг.4 подтверждает данные теоретические выводы (фиг.6).
Предлагаемые схемы ДУ могут использоваться в СВЧ аналоговых устройствах с малым напряжением питания, например, реализуемым по SiGe технологиям.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4.415.868, fig.3.
2. Патент ФРГ №2928841, fig.3.
3. Патент JP №54-34589, кл. 9815/А014.
4. Патент JP №154-1022, кл. H03F 3/45.
5. Патент JP №54-102949, кл. 9815/A21.
6. Патент США №4.366.442, fig.2.
7. Патент США №6.426.678.
8. Патентная заявка 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).