ДВУХКАСКАДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H03F3/45 H03F3/34 

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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают простейшие двухкаскадные ОУ [1-11], получившие широкое применение в IP-модулях современных систем на кристалле. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема фиг.1, представленная в патенте США№4.366.442 fig.2, которая также присутствует в других патентах и монографиях [1-11].

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U_см. Это обусловлено свойствами его архитектуры.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля U_см, а также его дрейфа в условиях структурной ассиметрии, а также температурных и радиационных воздействий.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе с малым напряжением питания (ДУ) фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, выход которого связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со входом токового зеркала 4, эмиттер входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с выходом устройства и подключен ко второму 8 дополнительному токостабилизирующему двухполюснику, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 подключен к выходу токового зеркала 4, первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с общей шиной источников питания через первую группу р-n переходов 9 и через вторую группу р-n переходов 10 связан с коллектором входного транзистора 5 буферного усилителя 6, причем коллектор входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с третьим 11 токостабилизирующим двухполюсником.

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

На фиг.3 приведена практическая схема ДУ (фиг.2), в которой р-n переходы 9 и 10 выполнены на основе интегральных транзисторов.

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

На фиг.6 показаны результаты компьютерного моделирования схем фиг.4 и фиг.5 - зависимость напряжения смещения нуля U_см от температуры.

Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, выход которого связан с базой входного транзистора 5 буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник. Первый 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен со входом токового зеркала 4, эмиттер входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с выходом устройства и подключен ко второму 8 дополнительному токостабилизирующему двухполюснику, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 подключен к выходу токового зеркала 4, первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с общей шиной источников питания через первую группу р-n переходов 9 и через вторую группу р-n переходов 10 связан с коллектором входного транзистора 5 буферного усилителя 6, причем коллектор входного транзистора 5 буферного усилителя 6 соединен с третьим 11 токостабилизирующим двухполюсником. Входной дифференциальный каскад 1 реализован на основе входных транзисторов 12, 13 и двухполюсника 14.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме фиг.2.

Если ток двухполюсника 14 равен величине 2I₀, а двухполюсников 8 и 7 - величине I₀, то токи эмиттеров и коллекторов транзисторов схемы:

где I_б.i=I_э.i/β_i - ток базы i-го n-p-n(I_б.р) транзистора при эмиттерном токе I_э.i=I₀;

β_i - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.

Поэтому входной (I_вх.4) и выходной (I_вых.4) токи токового зеркала 4

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

где I_БУ=I_б.р - ток базы входного n-p-n транзистора 5 буферного усилителя 6.

Подставляя (1)÷(3) в (4), находим, что разностный ток, определяющий U_см ДУ, равен нулю:

Как следствие, при I_p=0 не требуется смещения нуля ДУ фиг.2 на величину U_см, подача которого на его входы Bx.⁽⁺⁾1, Bx.^(-)2 компенсирует разностный ток I_р в узле «А».

Введение элементов 9, 10 и 11 создает режимные условия, при которых ток базы транзистора 5 и токи базы транзисторов 12 и 13 будут строго идентичны. Это необходимо для обеспечения эффекта их полной взаимной компенсации и уменьшения U_см более чем на порядок.

Таким образом, в заявляемом устройстве 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 преобразования входного дифференциального напряжения u_вх ДУ в выходной ток узла «А»:

где r_э12=r_э13 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 12 и 13 входного дифференциального каскада 1.

Поэтому для схем фиг.1 и фиг.2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе (фиг.1) I_p≠0. Поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме (фиг.6).

Компьютерное моделирование схем фиг.3 и фиг.4 подтверждает данные теоретические выводы (фиг.6).

Предлагаемые схемы ДУ могут использоваться в СВЧ аналоговых устройствах с малым напряжением питания, например, реализуемым по SiGe технологиям.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4.415.868, fig.3.

2. Патент ФРГ №2928841, fig.3.

3. Патент JP №54-34589, кл. 9815/А014.

4. Патент JP №154-1022, кл. H03F 3/45.

5. Патент JP №54-102949, кл. 9815/A21.

6. Патент США №4.366.442, fig.2.

7. Патент США №6.426.678.

8. Патентная заявка 2007/0152753, fig.5c.

9. Патент США №6.531.920, fig.4.

10. Патент США №4.262.261.

11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).

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, прецизионных решающих усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля). Технический результат: уменьшение напряжения смещения нуля U_см, а также его дрейфа в условиях структурной ассиметрии, а также температурных и радиационных воздействий. Дифференциальный усилитель (ДУ) с малым напряжением питания содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, токовое зеркало (4), выход которого связан с базой входного транзистора (5) буферного усилителя (БУ) (6), первый (7) токостабилизирующий двухполюсник (ТД). Первый ТД (7) соединен со входом токового зеркала (4), эмиттер входного транзистора (5) БУ (6) соединен с выходом ДУ и подключен ко второму (8) дополнительному ТД, второй (3) токовый выход входного ДК (1) подключен к выходу токового зеркала (4), первый (2) токовый выход входного ДК (1) соединен с общей шиной источников питания через первую группу p-n переходов (9) и через вторую группу p-n переходов (10) связан с коллектором входного транзистора (5) БУ (6), причем коллектор входного транзистора (5) БУ (6) соединен с третьим ТД (11). 6 ил.

Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания, содержащий входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, токовое зеркало, выход которого связан с базой входного транзистора буферного усилителя, первый токостабилизирующий двухполюсник, отличающийся тем, что первый токостабилизирующий двухполюсник соединен со входом токового зеркала, эмиттер входного транзистора буферного усилителя соединен с выходом устройства и подключен ко второму дополнительному токостабилизирующему двухполюснику, второй токовый выход входного дифференциального каскада подключен к выходу токового зеркала, первый токовый выход входного дифференциального каскада соединен с общей шиной источников питания через первую группу p-n переходов и через вторую группу p-n переходов связан с коллектором входного транзистора буферного усилителя, причем коллектор входного транзистора буферного усилителя соединен с третьим токостабилизирующим двухполюсником.