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 э.д.с. смещения нуля).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ на базе «перегнутых» каскодов [1-18], 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 патентной заявке США 2007/0069815, которая также присутствует в других патентах [1-18].
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, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых подключены к цепи смещения потенциалов 8, а эмиттеры связаны с шиной источника питания 9 через первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с коллектором первого 4 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с коллектором второго 5 вспомогательного транзистора, коллектор первого 6 выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала 12, а коллектор второго 7 выходного транзистора связан с выходом токового зеркала 12 и соединен с базой входного транзистора 13 буферного усилителя 14, предусмотрены новые элементы и связи - базы первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов связаны с эмиттером первого 6 выходного транзистора, а входной транзистор 13 буферного усилителя 14 имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и также второй 5 вспомогательные транзисторы.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения и конкретным выполнением буферного усилителя 14.
На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы КДУ - прототипа (фиг.4) и заявляемого КДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
см
На фиг.6 показаны результаты компьютерного моделирования схем фиг.4 и фиг.5 - зависимость напряжения смещения нуля U от температуры.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов с объединенными базами, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых подключены к цепи смещения потенциалов 8, а эмиттеры связаны с шиной источника питания 9 через первый 10 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники, эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с коллектором первого 4 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с коллектором второго 5 вспомогательного транзистора, коллектор первого 6 выходного транзистора подключен ко входу токового зеркала 12, а коллектор второго 7 выходного транзистора связан с выходом токового зеркала 12 и соединен с базой входного транзистора 13 буферного усилителя 14. Базы первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов связаны с эмиттером первого 6 выходного транзистора, а входной транзистор 13 буферного усилителя 14 имеет такой же тип проводимости, что и первый 4 и также второй 5 вспомогательные транзисторы. Статический режим входного транзистора 13 устанавливается двухполюсником 15. Дифференциальный каскад 1 выполнен на основе транзисторов 16, 17 и двухполюсника 18.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения в схему введен неинвертирующий повторитель тока 19 на основе транзистора, включенного по схеме с общей базой, коллектор которого подключен к эмиттеру первого 4 выходного транзистора.
см
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U в схеме фиг.2.
0
Если токи двухполюсников 18, 10, 11, 15 равны величине 2I, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов 4 и 5, 6 и 7:
б.i
э.i
i
б.р
б.n
э.i
0
где I=I/β - ток базы 1-го n-р-n (I) или p-n-p (I) транзистора при эмиттерном токе I=I;
i
β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.
вх.12
вых.12
Поэтому входной (I) и выходной (I) токи токового зеркала 12
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину
БУ
б.p
где I=2I - ток базы входного n-р-n транзистора 13 буферного усилителя 14.
см
Подставляя (1)÷(10) в (11), находим, что разностный ток, определяющий U КДУ:
p
см
2
p
(+)
(-)
Как следствие, при I=0 не требуется смещения нуля КДУ фиг.2 на величину U, подача которого на его входы Bx.1, Bx.  компенсирует разностный ток I в узле «А».
см
см
p
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 u КДУ в выходной ток узла «А»:
э16
э17
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 16 и 17 входного дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.1 - фиг.2
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
p
см
см
см
В КДУ-прототипе фиг.1 I≠0. Поэтому здесь систематическая составляющая U получается более чем на несколько порядков больше (U=-1,26 мВ), чем в заявляемой схеме (U=1,5 мкВ) (фиг.6).
Компьютерное моделирование схем фиг.4 и фиг.5 подтверждает данные теоретические выводы (фиг.6).
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5.091.701, fig.1
2. Патент США №6.448.853, fig.6
3. Патент США №6.529.076
4. Патент США №5.327.100, fig.2
5. Патентная заявка США 2002/0196079, fig.1
6. Патент США №5.734.296, fig.3
7. Патентная заявка США 2003/0090321, fig.8
8. Патент США №6.710.654
9. Патент США №6.483.382, fig.2
10. Патентная заявка США 2006/0202762
11. Патент США №5.140.280, fig.1
12. Патент США №4.600.893, fig.7
13. Патент США №6.788.143
14. Патент США №6.734.720, fig.14
15. Патентная заявка США 2008/0186091, fig.4
16. Патентная заявка США 2007/0069815
17. Патент США №6.304.143, fig.3
18. Патент Англии GB 2035003