Патент на изобретение №2399151

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ 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, в компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения э.д.с. смещения нуля U_см и его температурного дрейфа. Дифференциальный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор (3) местной отрицательной обратной связи, первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого (1) входного транзистора, второй (5) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго (2) входного транзистора, третий (6) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого (1) входного транзистора и эмиттером первого (7) выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого (1) входного транзистора, четвертый (8) токостабилизирующий двухполюсник (8), соединенный с коллектором второго (2) входного транзистора и эмиттером второго (9) выходного транзистора, токовое зеркало (10), вход которого подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (9) выходного транзистора и базой входного транзистора (11) буферного усилителя (12). База второго (9) выходного транзистора соединена с базой первого (7) выходного транзистора, а тип проводимости входного транзистора (11) буферного усилителя (12) совпадает с типом проводимости первого (7) и второго (9) выходных транзисторов. 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, в компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной аналоговой микроэлектронике можно выделить подкласс дифференциальных усилителей на базе так называемого «перегнутого» каскода со следящим питанием [1-12]. Они относятся к числу наиболее широкополосных. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является схема ДУ фиг.1, представленная в Каталоге разработок Российско-Белорусского центра аналоговой микросхемотехники. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006 (стр.65), которая также присутствует в большом числе патентов ведущих микроэлектронных фирм, например, [1-12].

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см), зависящей от свойств его архитектуры.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см и его температурного дрейфа.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго 2 входного транзистора, третий 6 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого 1 входного транзистора и эмиттером первого 7 выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, четвертый 8 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и эмиттером второго 9 выходного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 9 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 буферного усилителя 12, предусмотрены новые связи – база второго 9 выходного транзистора соединена с базой первого 7 выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости первого 7 и второго 9 выходных транзисторов.

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

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы дифференциального усилителя-прототипа (фиг.3) и заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля схем фиг.3, фиг.4.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной отрицательной обратной связи, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого 1 входного транзистора, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго 2 входного транзистора, третий 6 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого 1 входного транзистора и эмиттером первого 7 выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, четвертый 8 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго 2 входного транзистора и эмиттером второго 9 выходного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого подключен к коллектору первого 7 выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго 9 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 буферного усилителя 12. База второго 9 выходного транзистора соединена с базой первого 7 выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора 11 буферного усилителя 12 совпадает с типом проводимости первого 7 и второго 9 выходных транзисторов.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.

Если токи двухполюсников 4 и 5 равны величине I₀, a I₆=2I₀=I₈, то токи коллекторов транзисторов 1 и 2:

где I_б.i=I_э.i/_i – ток базы n-p-n транзисторов (I_б.p) и p-n-p транзисторов (I_б.n) при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

_i – коэффициент усиления по току базы транзисторов.

Следовательно, при единичном коэффициенте передачи по току токового зеркала 10 (К_i=1) эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 7 и 9, а также входной (I_вх.10) и выходной (I_вых.10) токи токового зеркала 10:

Как следствие, разность токов I_p в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину

где I_вх.12=2I_б.n – ток базы p-n-p транзистора 11 буферного усилителя 12.

Подставляя (1)÷(6) в (7), находим, что разностный ток, определяющий U_cм

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (8) уменьшается систематическая составляющая U_cм, обусловленная конечной величиной транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_p в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u_вх ДУ в выходной ток узла «А»:

где r_э1=r_э2 – сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2,

R₃ – сопротивление двухполюсника 3.

Поэтому для схемы фиг.2

где _T=26 мВ – температурный потенциал.

В ДУ-прототипе I_p=-2I_б.n, поэтому здесь систематическая составляющая U_cм получается на два порядка больше (U_cм=10,5 мВ), чем в заявляемой схеме (U_см=65 мкВ).

Компьютерное моделирование схем фиг.3, фиг.4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.

Источники информации

1. Патент Чехии 145526.

2. Патент Чехии 145528.

3. Патент США 4151482.

4. Патент Франции 2066287.

5. Патент Англии 1276375.

6. Патент Франции 2023 887.

7. Патент США 3825774 fig.8.

8. А.св. СССР 813692.

9. Патент США 4151484 fig.4.

10. Патент ФРГ 2039399.

11. Патент Швеции 365675.

12. Патент США 4406990 fig.4.

Формула изобретения

Дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор (3) местной отрицательной обратной связи, первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, подключенный к эмиттеру первого (1) входного транзистора, второй (5) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с эмиттером второго (2) входного транзистора, третий (6) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с коллектором первого (1) входного транзистора и эмиттером первого (7) выходного транзистора, база которого соединена с эмиттером первого (1) входного транзистора, четвертый (8) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с коллектором второго (2) входного транзистора и эмиттером второго (9) выходного транзистора, токовое зеркало (10), вход которого подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а выход связан с коллектором второго (9) выходного транзистора и базой входного транзистора (11) буферного усилителя (12), отличающийся тем, что база второго (9) выходного транзистора соединена с базой первого (7) выходного транзистора, причем тип проводимости входного транзистора (11) буферного усилителя (12) совпадает с типом проводимости первого (7) и второго (9) выходных транзисторов.

РИСУНКИ