КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
COMPLEMENTARY DIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, прецизионных операционных усилителях (ОУ)).
Существует несколько базовых архитектур дифференциальных усилителей (ДУ). Одна из них (фиг.1), реализованная на n-p-n и p-n-p транзисторов, относится к классической архитектуре. Впервые данная схема использована в операционном усилителе µA741. Комплементарные дифференциальные усилители (КДУ) данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом, стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является схема КДУ (фиг.1), представленная в монографии Якубовского С.В., Барканова М.В., Кудряшова Б.П. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М., Радио и связь, 1979. - С.224, рис.4.12а, которая также присутствует в большом числе патентов, например [1-17].
см
Существенный недостаток известного КДУ (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 дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в комплементарном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых объединены и подключены ко входу первого 3 токового зеркала, согласованного с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и соединены с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого 5 выходного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 6 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, коллектор первого 5 выходного транзистора связан со входом второго 8 токового зеркала, согласованного со второй 9 шиной источника питания, коллектор второго 6 выходного транзистора подключен к выходу второго 8 токового зеркала и соединен с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 11, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 12 и второй 13 дополнительные транзисторы, эмиттер первого 12 дополнительного транзистора подключен к выходу первого 3 токового зеркала, его коллектор соединен с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, база - подключена к эмиттеру второго 13 дополнительного транзистора, причем база второго 13 дополнительного транзистора соединена с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, а коллектор подключен ко входу второго 8 токового зеркала.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема фиг.2 с конкретным выполнением функциональных узлов 3, 8 и 11.
На фиг.4 и фиг.5 представлены схемы комплементарного дифференциального усилителя-прототипа (фиг.4) и заявляемого КДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.4, фиг.5.
Комплементарный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых объединены и подключены ко входу первого 3 токового зеркала, согласованного с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и соединены с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого 5 выходного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 6 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, коллектор первого 5 выходного транзистора связан со входом второго 8 токового зеркала, согласованного со второй 9 шиной источника питания, коллектор второго 6 выходного транзистора подключен к выходу второго 8 токового зеркала и соединен с базой входного транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 11. В схему введены первый 12 и второй 13 дополнительные транзисторы, эмиттер первого 12 дополнительного транзистора подключен к выходу первого 3 токового зеркала, его коллектор соединен с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, база - подключена к эмиттеру второго 13 дополнительного транзистора, причем база второго 13 дополнительного транзистора соединена с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, а коллектор подключен ко входу второго 8 токового зеркала.
В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 14, коллектор которого соединен с выходом токового зеркала 8, база соединена с эмиттером и подключена к первому 7 токостабилизирующему двухполюснику. Выходной эмиттерный повторитель 11 реализован на основе двухполюсников 15, 16 и транзисторе 10.
В схеме фиг.3 двухполюсники 16 и 17 реализованы на основе резистора 17 и стабилитрона 16, а первое токовое зеркало 3 содержит p-n переход 18 и транзистор 19. Двухполюсник 15 в данной схеме реализован на транзисторе 20. Второе токовое зеркало 8 (прецизионная схема Вильсона) содержит транзисторы 21, 22 и p-n переход 23.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
к.i
б.i
Если токи двухполюсников 7 и 15 равны величине 2I, то токи коллектора (I) и базы (I) транзисторов схемы:
б.i
э.i
i
б.р
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n (I) или p-n-p (I) транзисторов схемы при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.
вх.8
вых.8
Входной I и выходной I токи второго токового зеркала 8
i
где К=1 - модуль коэффициента передачи по току второго токового зеркала 8.
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
б.10
б.n
где I=2I - ток базы p-n-p транзистора 10 выходного эмиттерного повторителя 11.
см
Подставляя (1) - (7) в (8) находим, что разностный ток, определяющий U ДУ,
см
p
см
вх
Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает напряжение U, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения (u) КДУ в выходной ток узла «А»:
э1
э2
э5
э6
где r=r=r=r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1, 2, 5, 6.
Поэтому для схемы фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
см
см
В ДУ-прототипе I≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на два-три порядка больше (U=2,0 мВ), чем в заявляемой схеме (U=-1 мкВ).
Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6) данные теоретические выводы.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Библиографический список
1. Интегральные микросхемы. Операционные усилители [Текст]: справочник. - М., Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.90, Высоковольтный операционный усилитель 1443 УД1.
2. Патент США №4030044, fig.1.
3. Патент США №3786362, fig.1.
4. Патент США №3660773, fig.4.
5. Достал И. Операционные усилители [Текст] / И.Достал. - М., Мир, 1982. - С.79, рис.3.14в.
6. Патент США №4074205.
7. Патент США №4560948, fig.6.
8. Конелли Д. Аналоговые интегральные схемы [Текст] / Д.Конелли. - М., Мир, 1977. - С.85.
9. Патент США №4429284, fig.1.
10. Патент США №4855684, fig.4.
11. Патент ФРГ DE2633952, fig.5.
12. Патент США №4059808, fig.5.
13. Патент Японии №57-5364 H03F 3/343.
14. А.с. СССР 375754.
15. А.с. СССР 1107281.
16. А.с. СССР 1107279.
17. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.