Патент на изобретение №2390914

(54) КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ

(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 (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля). Технический результат – уменьшение напряжения смещения. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения (6), соединенный с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, токовое зеркало (7), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход – с коллектором второго (5) выходного транзистора и базой входного транзистора (8) буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя (9), соединенную с его выходом (10). В схему введен дополнительный транзистор (11), база которого подключена ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), эмиттер соединен с коллектором входного транзистора (8) буферного усилителя, а коллектор связан с выходом (10) буферного усилителя. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

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, широкополосных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля U_см).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ДУ с каскодной архитектурой, относящиеся к числу наиболее высокочастотных. Предполагаемое изобретение относится к данному типу устройств [1-16].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема фиг.1 (патент США 4.232.273), которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств и интерфейсов.

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля U_CM.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U_CM.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения 6, соединенный с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход – с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 8 буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя 9, соединенную с его выходом 10, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 8 буферного усилителя, а коллектор связан с выходом 10 буферного усилителя.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1-п.3 формулы изобретения. На чертеже фиг.3 показаны статические токи в схеме заявляемого устройства фиг.2. Однако тип проводимости применяемых в схеме фиг.3 транзисторов противоположен типу проводимости соответствующих транзисторов в схеме фиг.2.

На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» и результаты расчета его напряжения смещения нуля: U_см=576 мкВ.

На чертеже фиг.5 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а также результаты определения систематической составляющей его напряжения смещения нуля: U_см=-38,8 мкВ.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения 6, соединенный с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход – с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 8 буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя 9, соединенную с его выходом 10. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 8 буферного усилителя, а коллектор связан с выходом 10 буферного усилителя.

На чертежах фиг.2 и фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, токовое зеркало 7 содержит p-n переход 12 и выходной транзистор 13, причем база выходного транзистора 13 соединена со входом токового зеркала 7 и первым выводом p-n перехода 12, коллектор связан с выходом токового зеркала 7, а эмиттер подключен ко второму выводу p-n перехода 12.

На чертеже фиг.4, соответствующем п.3 формулы изобретения, выход 10 буферного усилителя соединен со входом выходного повторителя напряжения 14.

Рассмотрим работу схемы фиг.3 на постоянном токе.

В связи с конечной величиной коэффициента передачи тока базы транзисторов (=20÷50) для схемы фиг.3 можно составить следующие уравнения Кирхгофа:

где I_к4, I_к5, I_к8, I_к13 – коллекторные токи транзисторов 4, 5, 8, 13;

I₁₂ – ток через p-n переход 12;

I_э5, I_э13 – эмиттерный ток транзисторов 5 и 13;

2I₀ – суммарный ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада.

Сумма токов для узла «А»

или после преобразования

С учетом численных значений последнее уравнение можно представить в виде

.

Таким образом, при ₈₁₁₁₃ и одинаковом изменении транзисторов под действием радиации (или температуры) в узле «А» обеспечивается взаимная компенсация токов ошибки, связанных с конечными значениями токов базы. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_р в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u_вх ДУ фиг.3 в выходной ток узла «А»

,

где r_э1=r_э2 – сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1. Поэтому для схем фиг.1 – фиг.3

U_см=I_р(r_э1+r_э2).

В ДУ-прототипе I_R0, поэтому здесь систематическая составляющая U_CM получается на порядок больше (фиг.4), чем в заявляемой схеме (фиг.5).

Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент США 3.660.773.

2. Патент Франции 1.484.340.

3. Патент ФРГ 1.214.775.

4. Патент Англии 1520085.

5. Патент США 3.482.177.

6. Патент Англии 1212342.

7. Патент ФРГ 1537590.

8. Патент Франции 1548008.

9. Патентная заявка ФРГ 2418455.

10. Патент Франции 2227574.

11. Ав. свид. СССР 970638.

12. Патент Швеции 359989.

13. Патент Англии 1500993.

14. Ав. свид. СССР 276170.

15. Патент Англии 1334759.

16. Патент Японии 53-35352.

Формула изобретения

1. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения (6), соединенный с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, токовое зеркало (7), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход – с коллектором второго (5) выходного транзистора и базой входного транзистора (8) буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя (9), соединенную с его выходом (10), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (11), база которого подключена ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), эмиттер соединен с коллектором входного транзистора (8) буферного усилителя, а коллектор связан с выходом (10) буферного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что токовое зеркало (7) содержит p-n переход (12) и выходной транзистор (13), причем база выходного транзистора (13) соединена со входом токового зеркала (7) и первым выводом p-n перехода (12), коллектор связан с выходом токового зеркала (7), а эмиттер подключен ко второму выводу p-n перехода (12).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход (10) буферного усилителя соединен со входом выходного повторителя напряжения (14).

РИСУНКИ