ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ
DIFFERENTIAL OPERATING AMPLIFIER WITH LOW ZERO-SHIFT 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, решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля).
Известны схемы прецизионных дифференциальных операционных усилителей (ОУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей (НА2520, НА5190, AD797, AD 8631, AD 8632, ОР90 и др.). В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 50 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ОУ, описанный в патенте США №5091701 (патентной заявке 2002/0196079 fig.1) (фиг.1), содержащий входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания 8, цепь смещения потенциалов 9, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора и базой транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом 12 устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник 13.
см
Существенный недостаток известного дифференциального операционного усилителя состоит в том, что он характеризуется сравнительно большим напряжением смещения нуля (U).
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля.
Поставленная цель достигается тем, что в известном ОУ, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания 8, цепь смещения потенциалов 9, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора и базой транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом 12 устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник 13, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 14, база которого связана с эмиттером 5 второго выходного транзистора, коллектор подключен к выходу 12 устройства, а эмиттер через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной источника питания 8.
На фиг.1 показана схема дифференциального операционного усилителя-прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого ОУ в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
см
На фиг.3 представлен ОУ-прототип фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», соответствующий архитектуре фиг.1. Здесь при температуре 20°С U=1,11 мВ.
см
На фиг.4 представлен вариант построения заявляемого ОУ в среде компьютерного моделирования РSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», соответствующий фиг.2. Здесь при температуре 20°С U=17,5 мкВ.
см
На фиг.5 приведены графики температурной зависимости U схем фиг.3 и фиг.4.
Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 коллекторные выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через первый 6 и второй 7 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной источника питания 8, цепь смещения потенциалов 9, связанную с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора, а выход соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора и базой транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, эмиттер которого связан с выходом 12 устройства, третий токостабилизирующий двухполюсник 13. В схему введен дополнительный транзистор 14, база которого связана с эмиттером 5 второго выходного транзистора, коллектор подключен к выходу 12 устройства, а эмиттер через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник соединен с шиной источника питания 8.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между выходом 12 устройства и шиной источника питания 8 включен дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 15. В частном случае входной каскад 1 реализован здесь на транзисторах 16, 17 и двухполюснике 18.
Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).
Статический режим по току транзисторов 4 и 5 ОУ фиг.2 определяется двухполюсниками 6, 7, 18 и током базы транзистора 14.
18
0
13
0
При I=2I, I=I эмиттерные токи транзисторов 5 и 4 определяются формулами
Поэтому коллекторные токи транзисторов 5 и 4
i12.10
Если учесть, что коэффициент передачи по току токового зеркала 10 K=1, то можно найти, что в узле «А» выполняется равенство
см
Таким образом, в высокоимпедансном узле «А» обеспечивается взаимная компенсация выходного тока подсхемы 10, тока базы транзистора 11 и коллекторного тока транзистора 4. Это является необходимым и достаточным условием минимизации систематической составляющей U, обусловленной β транзисторов.
см
Как следствие предлагаемая схема ОУ имеет более низкие значения U.
см
см
см
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.3 и фиг.4. Численные значения систематической составляющей U (без учета разброса параметров элементов) лежат для этих схем в диапазоне 20÷25 мкВ. В то же время в ОУ-прототипе U изменяется единицами милливольт. Введение двухполюсника 15 позволяет обеспечить более точную взаимную компенсацию токов в узле «А» и получить малые значения U.
см
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество по U в сравнении с ДУ-прототипом. При этом данный результат достигается без ухудшения других параметров ОУ.
Источники информации
1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
2. Патент США №6.218.900, фиг.1.
3. Патентная заявка US 2002/0196079.
4. Патент США №6.788.143.
5. Патент США №3.644.838, фиг.2.
6. Патент США Re 30.587.
7. Патент ЕР 1.227.580.
8. Патент США №6.714.076.
9. Патент США №5.786.729.
10. Патент США №5.327.100.
11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.
12. Патент США №4.274.061.
13. Патент США №5.422.600, фиг.2.
14. Патент США №6.788.143, фиг.2.
15. Патент США №4.959.622, фиг.1.
16. Патент США №4.406.990, фиг.4.
17. Патент США №5.418.491.
18. Патент США №6.018.268.
19. Патент США №5.952.882.
20. Патент США №4.723.111.
21. Патент США №4.293.824.
22. Патент США №6.580.325.
23. Патент США №6.965.266.
24. Патент США №6.867.643.
25. Патент США №6.236.270.
26. Патент США №5.323.121.
27. Патент США №6.229.394.
28. Патент США №5.734.296.
29. Патент США №5.477.190.
30. Патент США №5.091.701.
31. Патент США №6.717.474.
32. Патент США №6.084.475.
33. Патент США №3.733.559.
34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.
35. Патент США №6.300.831.