КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL 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, 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 ОУ на базе «перегнутых» каскодов [1-14], получившие широкое применение в микроэлектронных изделиях. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема (фиг.1), представленная в патенте фирмы Motorola (США) №5.734.296, которая также присутствует в других патентах и монографиях [1-14].
см
Существенный недостаток известного ДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U.
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля U, а также его дрейфа в условиях температурных и радиационных воздействий.
Поставленная задача достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (КДУ) (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, имеющее низкоомный 5 и высокоомный 6 эмиттерные входы, основной инвертирующий вход 7 и токовый выход 8, первый 9 и второй 10 вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через первый 11 и второй 12 токостабилизирующие двухполюсники связаны с первой 13 шиной источника питания, цепь установления статического режима 14, связанную с базой первого 9 вспомогательного транзистора, буферный усилитель 15, входной транзистор 16 которого соединен с коллектором второго 10 вспомогательного транзистора и подключен к токовому выходу 8 токового зеркала 4, коллектор первого 9 вспомогательного транзистора связан с основным инвертирующим входом 7 токового зеркала 4, низкоомный 5 и высокомный 6 эмиттерные входы токового зеркала 4 соединены соответственно с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и через третий 17 и четвертый 18 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 19 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - база второго 10 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 9 вспомогательного транзистора, а тип проводимости входного транзистора 16 буферного усилителя 15 совпадает с типом проводимости второго 10 вспомогательного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На чертежах фиг.3 и фиг.4 показаны схемы рекомендуемого токового зеркала, в том числе в соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3).
На чертежах фиг.5 и фиг.6 приведены схемы КДУ-прототипа (фиг.5) и заявляемого КДУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
см
На чертеже фиг.7 показаны результаты компьютерного моделирования схем фиг.5 и фиг.6 - зависимость напряжения смещения нуля U от температуры.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, имеющее низкоомный 5 и высокоомный 6 эмиттерные входы, основной инвертирующий вход 7 и токовый выход 8, первый 9 и второй 10 вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через первый 11 и второй 12 токостабилизирующие двухполюсники связаны с первой 13 шиной источника питания, цепь установления статического режима 14, связанную с базой первого 9 вспомогательного транзистора, буферный усилитель 15, входной транзистор 16 которого соединен с коллектором второго 10 вспомогательного транзистора и подключен к токовому выходу 8 токового зеркала 4, коллектор первого 9 вспомогательного транзистора связан с основным инвертирующим входом 7 токового зеркала 4, низкоомный 5 и высокоомный 6 эмиттерные входы токового зеркала 4 соединены соответственно с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и через третий 17 и четвертый 18 токостабилизирующие двухполюсники связаны со второй 19 шиной источника питания. База второго 10 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 9 вспомогательного транзистора, а тип проводимости входного транзистора 16 буферного усилителя 15 совпадает с типом проводимости второго 10 вспомогательного транзистора. Статический режим транзистора 16 устанавливается двухполюсником 20, а входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 21, 22 и двухполюснике 23.
На чертежах фиг.2 и фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, токовое зеркало 4 содержит первый 24, второй 25 и третий 26 транзисторы, эмиттер первого 24 транзистора соединен с высокоомным эмиттерным входом 6 токового зеркала 4, эмиттер второго 25 транзистора связан с низкоомным эмиттерным входом 5 токового зеркала 4, база третьего 26 транзистора связана с коллектором первого 24 транзистора и соединена с основным инвертирующим входом 7 токового зеркала 4, коллектор третьего 26 транзистора соединен с выходом 8 токового зеркала 4, а объединенные базы первого 24 и второго 25 транзисторов подключены к коллектору второго 25 транзистора и эмиттеру третьего 26 транзистора.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2.
0
0
Если токи двухполюсника 23 равны величине 21, а двухполюсников 12, 11, 20 равны величине I, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 9 и 24, и 25:
б.i
э.i
i
б.р
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы i-го n-p-n (I) или p-n-р (I) транзистора при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.
вх.7
вых.8
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-р-n транзистора 16 буферного усилителя 15.
см
Подставляя (1)÷(11) в (12), находим, что разностный ток, определяющий U КДУ:
р
см
р
(+)
(-)
Как следствие, при I=0 не требуется смещения нуля КДУ (фиг.2) на величину U, подача которого на его входы Вх.1, Вх.2 компенсирует разностный ток I в узле «А».
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 uКДУ в выходной ток узла «А»:
,
э21
э22
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 21 и 22 входного дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.1-фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
см
см
см
В КДУ-прототипе (фиг.1) I≠0. Поэтому здесь систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше (U=603 мВ), чем в заявляемой схеме (U=-14,6 мкВ) (фиг.6).
Компьютерное моделирование схем фиг.5 и фиг.6 подтверждает данные теоретические выводы (фиг.7).
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Источники информации
1. Патент США №5.734.296.
2. Патент США №4.293.824.
3. Патент RU №2331974.
4. Патент США №4.600.893.
5. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.243-244.
6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: «Радио и связь», 1989.
7. Патент США №6.456.162.
8. Патент США №6.501.333.
9. Патент США №6.542.030.
10. Патент США №4.293.824.
11. Патент США №5.734.296.
12. Патент США №5.420.540.
13. Патент США №5.523.718.
14. Патент США №4.644.295.