Патент на изобретение №2390918

(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, решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля и его дрейфа в условиях воздействия температуры и радиации). Технический результат: уменьшение напряжения смещения. Операционный усилитель (ОУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, токовое зеркало (4), вход которого связан с первым (2) коллекторным выходом входного ДК (1), выходной транзистор (Т) (5), база которого связана со вторым (3) коллекторным выходом входного ДК (1), эмиттер – связан с шиной (6) источника питания через первый (7) вспомогательный резистор, а коллектор – соединен с цепью нагрузки (8). В схему введены дополнительный Т (9) и цепь смещения потенциала (10), причем эмиттер дополнительного Т (9) связан с выходом токового зеркала (4), коллектор – подключен ко второму коллекторному выходу (3) входного ДК (1), база – соединена с эмиттером выходного Т (5), а вход токового зеркала (4) связан с первым (2) коллекторным выходом входного ДК (1) через цепь смещения потенциалов (10). 4 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, решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля и его дрейфа в условиях воздействия температуры или радиации).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ОУ является классическая схема фиг.1 (патент США 4.410.859, fig.1), которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств различного назначения, в том числе микросхем (574УД3, 153УД2, 1407УД3, СА3078 и др. [1-13]).

Существенные недостатки известного ОУ фиг.1 состоят в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U_см и высокую нестабильность U_см вследствие воздействия температуры или радиации.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U_см.

Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, выходной транзистор 5, база которого связана со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер связан с шиной 6 источника питания через первый 7 вспомогательный резистор, а коллектор соединен с цепью нагрузки 8, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введены дополнительный транзистор 9 и цепь смещения потенциала 10, причем эмиттер дополнительного транзистора 9 связан с выходом токового зеркала 4, коллектор – подключен ко второму коллекторному выходу 3 входного дифференциального каскада 1, база – соединена с эмиттером выходного транзистора 5, а вход токового зеркала 4 связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1 через цепь смещения потенциалов 10.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 показана схема ОУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

Прецизионный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, токовое зеркало 4, вход которого связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, выходной транзистор 5, база которого связана со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер связан с шиной 6 источника питания через первый 7 вспомогательный резистор, а коллектор соединен с цепью нагрузки 8. В схему введены дополнительный транзистор 9 и цепь смещения потенциала 10, причем эмиттер дополнительного транзистора 9 связан с выходом токового зеркала 4, коллектор – подключен ко второму коллекторному выходу 3 входного дифференциального каскада 1, база -соединена с эмиттером выходного транзистора 5, а вход токового зеркала 4 связан с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1 через цепь смещения потенциалов 10.

В качестве токового зеркала рекомендуется использовать повторители тока Вильсона и другие подсхемы, имеющие малую погрешность передачи входного токового сигнала.

Рассмотрим основные токовые соотношения для схемы фиг.2.

Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1 равен 2I₀, то токи выходов 2 и 3

где I_б.р – ток базы входного n-р-n транзистора ДУ1.

Учитывая, что коэффициент передачи по току токового зеркала 4 (например, схемы Вильсона) равен единице (K_i=1), можно найти ток эмиттера (I_э9) и ток коллектора (I_к9) транзистора 9

где I_б.9 – ток базы транзистора 9.

Следовательно, сумма токов в узле «А»

или

где I_б.5 – ток базы транзистора 5.

Уравнение (6) можно представить в виде

где ₅₉=20-50 – коэффициент усиления по току базы транзисторов 5 и 9.

Вследствие воздействия радиации ₅ и ₉ изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I_p0.

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_вx ДУ фиг.2 в выходной ток узла «А»

где r_э1=r_э2 – сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.

Поэтому для схем фиг.2

где _т – температурный потенциал.

В ДУ-прототипе I_p0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается на порядок больше (фиг.3, U_см=1,08 мВ), чем в заявляемой схеме (фиг.4, U_см=86 мкВ).

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент США 4.410.859, fig.1.

2. Патент США 4.721.920.

3. Патент США 4.783.637.

4. А.св. СССР 678639.

5. Патент США 4.560.948.

6. А.св. 1193773.

7. Патент США 4.463.319.

8. Патент W003/063344A1.

9. Патент США 5.343.164.

10. Патент США 4.417.216.

11. Патент США 5.365.191, fig.7.

12. Патент США 4.163.908

13. Патент Японии 54-37561, fig.1.

Формула изобретения

Прецизионный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, токовое зеркало (4), вход которого связан с первым (2) коллекторным выходом входного дифференциального каскада (1), выходной транзистор (5), база которого связана со вторым (3) коллекторным выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер связан с шиной (6) источника питания через первый (7) вспомогательный резистор, а коллектор соединен с цепью нагрузки (8), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (9) и цепь смещения потенциала (10), причем эмиттер дополнительного транзистора (9) связан с выходом токового зеркала (4), коллектор подключен ко второму коллекторному выходу (3) входного дифференциального каскада (1), база соединена с эмиттером выходного транзистора (5), а вход токового зеркала (4) связан с первым (2) коллекторным выходом входного дифференциального каскада (1) через цепь смещения потенциалов (10).

РИСУНКИ