ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
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, в компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).
В современной аналоговой микроэлектронике можно выделить подкласс дифференциальных усилителей на базе так называемого «перегнутого» каскода со следящим питанием [1-12]. Они относятся к числу наиболее широкополосных. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является схема ДУ фиг.1, представленная в Каталоге разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006 (стр.65), которая также присутствует в большом числе патентов ведущих микроэлектронных фирм, например, [1-12].
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 задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U и его температурного дрейфа.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго 2 входного транзистора, третий 6 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого 1 входного транзистора и эмиттером первого 7 выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, четвертый 8 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и эмиттером второго 9 выходного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 9 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 буферного усилителя 12, предусмотрены новые связи - база второго 9 выходного транзистора соединена с базой первого 7 выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости первого 7 и второго 9 выходных транзисторов.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа (фиг.3) и заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.3, фиг.4.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго 2 входного транзистора, третий 6 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого 1 входного транзистора и эмиттером первого 7 выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, четвертый 8 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и эмиттером второго 9 выходного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 9 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 буферного усилителя 12. База второго 9 выходного транзистора соединена с базой первого 7 выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости первого 7 и второго 9 выходных транзисторов.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.
0
6
0
8
Если токи двухполюсников 4 и 5 равны величине I, a I=2I=I, то токи коллекторов транзисторов 1 и 2:
б.i
э.i
i
б.p
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы n-p-n транзисторов (I) и p-n-p транзисторов (I) при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы транзисторов.
i
вх.10
вых.10
Следовательно, при единичном коэффициенте передачи по току токового зеркала 10 (К=1) эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 7 и 9, а также входной (I) и выходной (I) токи токового зеркала 10:
p
Как следствие, разность токов I в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
вх.12
б.n
где I=2I - ток базы p-n-p транзистора 11 буферного усилителя 12.
cм
Подставляя (1)÷(6) в (7), находим, что разностный ток, определяющий U
cм
см
p
см
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (8) 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 ДУ в выходной ток узла «А»:
э1
э2
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2,
3
R - сопротивление двухполюсника 3.
Поэтому для схемы фиг.2
T
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
б.n
cм
cм
см
В ДУ-прототипе I=-2I, поэтому здесь систематическая составляющая U получается на два порядка больше (U=10,5 мВ), чем в заявляемой схеме (U=65 мкВ).
Компьютерное моделирование схем фиг.3, фиг.4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
Источники информации
1. Патент Чехии №145526.
2. Патент Чехии №145528.
3. Патент США №4151482.
4. Патент Франции №2066287.
5. Патент Англии №1276375.
6. Патент Франции №2023 887.
7. Патент США №3825774 fig.8.
8. А.св. СССР №813692.
9. Патент США №4151484 fig.4.
10. Патент ФРГ №2039399.
11. Патент Швеции №365675.
12. Патент США №4406990 fig.4.