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, в компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенно различными параметрами. Особое место занимают каскодные ДУ с простейшей двухкаскадной архитектурой, содержащие небольшое число элементов и характеризующиеся повышенным частотным диапазоном [1-12]. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.
В качестве прототипа авторами выбран каскодный дифференциальный усилитель, входящий в структуру повторителя напряжения (стабилизатора) по патенту Франции 2.227.574 (схема fig.1 при использовании следующих сочетаний функциональных узлов: fig.3с и fig.4a). Это же техническое решение запатентовано еще в трех странах NL, DE, JP [12].
см
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U), зависящей от свойств его архитектуры.
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы с объединенными базами, вспомогательный источник напряжения питания 6, первое токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, выход - подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 8 буферного усилителя 9, содержащего входной 10 транзистор, причем тип проводимости входного 10 транзистора буферного усилителя 9 идентичен типу проводимости первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада, а эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено второе токовое зеркало 16, вход которого связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, выход - подключен к эмиттеру второго 5 выходного транзистора, а общий узел - связан со вспомогательным источником напряжения питания 6.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 и 4 показаны частные случаи выполнения токового зеркала 11.
На фиг.5 приведена схема заявляемого устройства для случая, когда в ней используется так называемый «перегнутый» каскод (элементы 4, 5, 7, 10, 12).
В схеме фиг.6, соответствующей фиг.2, введен дополнительный транзистор терморадиационной компенсации 26.
На фиг.7 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (левая часть) и заявляемого ДУ (правая часть) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.8 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.7.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы с объединенными базами, вспомогательный источник напряжения питания 6, первое токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, выход - подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и входу 8 буферного усилителя 9, содержащего входной 10 транзистор, причем тип проводимости входного 10 транзистора буферного усилителя 9 идентичен типу проводимости первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада, а эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1. В схему введено второе токовое зеркало 16, вход которого связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, выход - подключен к эмиттеру второго 5 выходного транзистора, а общий узел - связан со вспомогательным источником напряжения питания 6.
В частном случае буферный усилитель 9 в схеме фиг.2 содержит токостабилизирующий двухполюсник 12, а входной параллельно-балансный каскад 1 реализован на транзисторах 13, 14 и двухполюснике 15.
Токовые зеркала 11 на фиг.3 и 4 выполнены на элементах 16, 17, 18 и 19.
В схеме фиг.5 входной параллельно-балансный каскад 1 реализован на транзисторах 20 и 21, а также двухполюсниках 22, 23 и 24, а в буферный усилитель 9 введена цепь согласования потенциалов 25.
В схеме фиг.6 введен транзистор терморадиационной компенсации 26, имеющий (так же как и транзистор 17 токового зеркала 11) р-n переход на подложку 27, идентичный р-n переходу 28 транзистора 17.
CM
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
вх
Вых.7
Если ток двухполюсника 15 равен величине 2I, то токи выходов 2 и 3, входной (I.7) и выходной (I) токи подсхемы 7:
б.р
э.i
i
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n транзисторов 4, 5, 13, 14, 10 при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзистора.
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
б.р
см
где I=2I - ток базы n-p-n транзистора 10 буферного усилителя 9. Подставляя (3)÷(6) в (7) находим, что разностный ток, определяющий U,
р
см
р
(+)
(-)
Как следствие, при I=0 не требуется смещения нуля ДУ1 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 UДУ в выходной ток узла «А»:
э14
э13
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных
транзисторов 14 и 13 дифференциального каскада 1.
Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
р
см.1
CM.1
CM.1
В ДУ-прототипе фиг.1 I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на порядок больше (U=-1,17 мВ), чем в заявляемой схеме (U = 43 мкВ, (фиг.8)).
Компьютерное моделирование схем фиг.3 подтверждает (фиг.4) данные теоретические выводы.
Если необходимо обеспечить симметрию амплитуд положительных и отрицательных полуволн выходного напряжения ДУ фиг.7, то следует ввести вторую цепь смещения потенциалов V4.
см.1
см
Для минимизации U при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.6 предусмотрен транзистор 26, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его р-n переход на подложку 27, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток на подложку через р-n переход 28 транзистора 17. 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 постоянного тока.
Источники информации
1. Патент США №6.114.234.
2. Патент США №5.091.701, fig.1.
3. Патент США №5.140.280.
4. Патент США №5.786.729.
5. Патент США №6.448.853.
6. Патент США №4.390.850.
7. Патент США №5.327.100 fig.2.
8. Патент США №6.4383.382 fig.2, fig.1.
9. Патент США №5.374.897.
10. Патент США №6.529.076.
11. Патент США №5.627.495 fig.2.
12. Патент Франции №2.227.574 fig.1, fig.3с, fig.4а.