Патент на изобретение №2368064

Published by on

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(19)

(11)

2368064

(13)

(51) МПК

H03F3/45 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 18.08.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2008104193/09, 04.02.2008

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

04.02.2008

(46) Опубликовано: 20.09.2009

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
US 6144234 A, 07.11.2000. SU 1224969 A, 15.04.1984. US 6304143 B1, 16.10.2001. US 5357188 A, 18.10.1994.

Адрес для переписки:

346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 147, ЮРГУЭС, патентная служба

(72) Автор(ы):

Прокопенко Николай Николаевич (RU),
Серебряков Александр Игоревич (RU),
Манжула Владимир Гавриилович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса” (ГОУ ВПО “ЮРГУЭС”) (RU)

(54) ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(57) Реферат:

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, операционных усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля (ОУ)). Технический результат – уменьшение напряжения смещения нуля. Прецизионный операционный усилитель содержит входной преобразователь «напряжение-ток» (1), противофазные токовые выходы (2 и 3) которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима (6), третий выходной транзистор (7), коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора (5) и входом выходного буферного усилителя (8), эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора (9), а база подключена к базе второго (10) вспомогательного транзистора и коллектору первого (4) выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор (11), база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора (9) и эмиттером второго (10) вспомогательного транзистора. Коллектор второго (10) вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго (5) выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора (11) соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

Известны схемы прецизионных операционных усилителей (ДУ) на основе так называемых «перегнутых» каскадов [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (HA2520, HA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. 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 операционный усилитель, описанный в патенте фирмы Canon в США 6.144.234, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» 1, противофазные токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 6, третий выходной транзистор 7, коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора 5 и входом выходного буферного усилителя 8, эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 9, а база подключена к базе второго 10 вспомогательного транзистора и коллектору первого 4 выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор 11, база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора 9 и эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора.

Существенный недостаток известного операционного усилителя состоит в том, что он характеризуется сравнительно большим напряжением смещения нуля U_см.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля. Дополнительная цель – создание условий для повышения коэффициента усиления по напряжению.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ОУ, содержащем входной преобразователь «напряжение-ток» 1, противофазные токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 6, третий выходной транзистор 7, коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора 5 и входом выходного буферного усилителя 8, эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 9, а база подключена к базе второго 10 вспомогательного транзистора и коллектору первого 4 выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор 11, база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора 9 и эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора, предусмотрены новые связи – коллектор второго 10 вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора 11 соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора.

На фиг.1 показана схема ОУ-прототипа.

На фиг.2 представлена обобщенная схема заявляемого ОУ. Частный вариант построения вспомогательного транзистора 11 показан на фиг.3.

На фиг.4 представлен вариант построения ОУ, соответствующий фиг.2, в котором преобразователь «напряжение-ток» 1 реализован на основе «перегнутого» параллельно-балансного каскада.

На фиг.5 представлен другой вариант построения ОУ, соответствующий фиг.2, в котором преобразователь «напряжение-ток» 1 реализован на основе классического параллельно-балансного каскада.

На фиг.6 представлен другой вариант построения ОУ, соответствующий фиг.2, в котором преобразователь «напряжение-ток» 1 реализован на основе комплементарного дифференциального каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах.

На фиг.7 представлена схема ОУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь напряжение смещения нуля – 1,8 мВ.

На фиг.8 представлена схема заявляемого ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь U_см=0,2 мВ.

На фиг.9 показаны амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления разомкнутых ОУ фиг.7 и фиг.8.

На фиг.10 для сравнения и оценки эффективности предлагаемого технического решения показана схема одной из распространенных модификаций ОУ, в котором напряжение смещения нуля 6,2 мВ.

Прецизионный операционный усилитель содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, противофазные токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 6, третий выходной транзистор 7, коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора 5 и входом выходного буферного усилителя 8, эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 9, а база подключена к базе второго 10 вспомогательного транзистора и коллектору первого 4 выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор 11, база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора 9 и эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора. Коллектор второго 10 вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора 11 соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора.

На фиг.3, соответствующем п.2 формулы изобретения, в качестве третьего 11 вспомогательного транзистора используется составной транзистор, содержащий основной биполярный транзистор 12, в коллекторную цепь которого включен прямосмещенный дополнительный p-n переход 13.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).

В статическом режиме (u_вх=0) нулевое значение напряжения смещения нуля ОУ обеспечивается в том случае, если коллекторные токи транзисторов 5 и 7 равны друг другу (при нулевом входном токе буферного усилителя 2). Если статические значения I_к5I_к7, то это вызывает необходимость подачи между входами Вх.1 и Вх.2 напряжения U_см, которое приведет к равенству I_к5=I_к7 за счет изменения токов 12 и 13.

Взаимосвязь I_к5 и I_к7 можно установить с учетом следующих токовых соотношений в схеме фиг.2, вытекающих из первого закона Кирхгофа:

I_к4=₄I₂; I_к5=(I₃-I_к10)₅;

I_к11=I_к4-I_б-I^*_б=I_э11-I_б;

I_э11=I_к4-I^*_б;

I_э9=I_э11=I_К4-I^*_б;

I_к9=I_э9-I_б=I_к4-I_б-I^*_б=I_э7;

I_к7=I_э7-I_б=I_к4-2I_б-I^*_б;

I_э10=2I_б; I_к10=2I_б-I^*_б;

I_к5=₅I₃–₅2I_б+₅I^*_б;

I_к7=₄I₂-2I_б+I^*_б;

где ₄, ₅1 – коэффициенты усиления по току эмиттера;

I^*_б – ток базы транзистора 10.

Из двух последних формул следует, что разность токов

I=I_к5-I_к7=I(₅–₄)+2I_б(1-₅)+2I^*_б,

где I=I₂=I₃.

Так как ₅=₄, то

где ₁₀>>1 – коэффициент передачи по току базы транзистора 10.

Разность токов I приводится ко входу ОУ через эквивалентную крутизну для дифференциального сигнала:

То есть напряжение смещения нуля ОУ фиг.2

Можно показать, что в схеме ОУ-прототипа, фиг.1,

Таким образом, при равенстве крутизн в предлагаемом устройстве напряжение смещения нуля уменьшается по сравнению с прототипом в N_c paз, где

или

Если положить, что =₅=₁₀, то выигрыш по величине U_см

N_c=>>1.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.7, 8 и 10.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества по статической точности в сравнении с ОУ-прототипом.

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 EP 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 А1.

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.

Формула изобретения

1. Прецизионный операционный усилитель, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1), противофазные токовые выходы (2) и (3) которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима (6), третий выходной транзистор (7), коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора (5) и входом выходного буферного усилителя (8), эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора (9), а база подключена к базе второго (10) вспомогательного транзистора и коллектору первого (4) выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор (11), база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора (9) и эмиттером второго (10) вспомогательного транзистора, отличающийся тем, что коллектор второго (10) вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго (5) выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора (11) соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве третьего (11) вспомогательного транзистора используется составной транзистор, содержащий основной биполярный транзистор (12), в коллекторную цепь которого включен прямосмещенный дополнительный p-n переход (13).

РИСУНКИ