КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H03F3/45 

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 эдс смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами.

Особое место занимают каскодные дифференциальные усилители (ДУ), характеризующиеся повышенной широкополосностью. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ДУ фиг.1, представленная в патенте RCA Corporation США №4151482, fig. 1, которая также присутствует в большом числе других патентов, например [2-12].

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, эмиттеры которых связаны с первым токостабилизирующим двухполюсником 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 входным транзисторам, а также соединены со вторым 6 и третьим 7 токостабилизирующими двухполюсниками, токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и связан с базой входного транзистора 9 выходного буферного усилителя 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого соединена с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, а коллектор подключен ко входу токового зеркала 8.

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

В схеме фиг.3 в эмиттеры транзисторов 1 и 2 введены дополнительные резисторы, что является традиционным схемотехническим решением.

На чертежах фиг.4 и 5 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (фиг.4) и заявляемого ДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.4 и 5.

На чертежах фиг.7 и 8 показаны схемы дифференциального усилителя - прототипа (фиг.7), имеющего дополнительные резисторы в эмиттерных цепях входных транзисторов и заявляемого ДУ (фиг.8), соответствующего чертежу фиг.3, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.9 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.7 и 8.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым токостабилизирующим двухполюсником 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых подключены к соответствующим первому 1 и второму 2 входным транзисторам, а также соединены со вторым 6 и третьим 7 токостабилизирующими двухполюсниками, токовое зеркало 8, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 5 выходного транзистора и связан с базой входного транзистора 9 выходного буферного усилителя 10. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого соединена с первым 3 токостабилизирующим двухполюсником, а коллектор подключен ко входу токового зеркала 8.

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

Если токи двухполюсников 3, 6 и 7 равны величине 2I₀, то токи коллекторов (I_к.i) и токи базы (I_б.i) транзисторов:

где I_б.n.=I_э.i/β_i - ток базы p-n-p транзисторов при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы р-n-р транзисторов.

Входной (I_вx.8) и выходной (I_вых.8) токи токового зеркала 8

где K_i - коэффициент передачи по току подсхемы 8 (К_i=1).

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

где I_БУ - ток базы транзистора 9 эмиттерного повторителя 10.

Для получения нулевого значения разностного тока I_р (4) необходимо, чтобы выполнялось условие

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (5) уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_р 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.

Поэтому для схемы фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе I_р=I_БУ=I_б.р≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается более чем на порядок больше (U_см=933 мкВ), чем в заявляемой схеме (U_см=11 мкВ).

Компьютерное моделирование схем фиг.4, 5, 7, 8 подтверждает (фиг.6, 9) данные теоретические выводы.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4151482 fig. 1.

2. Патент США №4151484 fig.4.

3. Патент Франции №2023887.

4. Патент Франции №2066287.

5. Патент Англии №1276375.

6. Патент ЧССР №145528.

7. Патент ЧССР №145526.

8. Патент США №3825724.

9. Патент ФРГ №2039399.

10. Патент Швеции №365675.

11. Достал И. Операционные усилители [Текст] /И.Достал. - М.: Мир, 1982. - С.80, рис.3.15б.

12. Патент США №4406990, fig. 4.

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 эдс смещения нуля). Технический результат: уменьшение абсолютного значения U_см и его температурного дрейфа. Каскодный дифференциальный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), эмиттеры которых связаны с первым токостабилизирующим двухполюсником (ТД) (3), первый (4) и второй (5) выходные Т с объединенными базами, эмиттеры которых подключены к соответствующим первому (1) и второму (2) входным Т, а также соединены со вторым (6) и третьим (7) ТД, токовое зеркало (8), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного Т, а выход подключен к коллектору второго (5) выходного Т и связан с базой входного Т (9) выходного буферного усилителя (10). В схему введен дополнительный Т (11), база которого соединена с первым (3) ТД, а коллектор подключен ко входу токового зеркала (8). 9 ил.

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым токостабилизирующим двухполюсником (3), первый (4) и второй (5) выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых подключены к соответствующим первому (1) и второму (2) входным транзисторам, а также соединены со вторым (6) и третьим (7) токостабилизирующими двухполюсниками, токовое зеркало (8), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго (5) выходного транзистора и связан с базой входного транзистора (9) выходного буферного усилителя (10), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (11), база которого соединена с первым (3) токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен ко входу токового зеркала (8), причем коллекторный ток дополнительного транзистора (11) определяется суммой токов базы первого (4) и второго (5) выходных транзисторов
I_к11≈I_б.4+I_б.5,
где I_б.4, I_б.5 - токи базы первого (4) и второго (5) выходных транзисторов.