Дифференциальный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ)). Технический результат заключается в уменьшении напряжения смещения нуля. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит первый входной каскад (1), выход (2) которого соединен с объединенными эмиттерами первого (3) и второго (4) выходных транзисторов (Т), второй входной каскад (5), выход которого (6) соединен с объединенными эмиттерами третьего Т (7) и четвертого Т (8), цепь установления (9) статического режима выходных Т (3, 4, 7, 8), связанная с их базами, первое токовое зеркало (ТЗ) (10), вход (11) которого соединен с коллектором Т (3), а выход (12) связан с коллектором Т (8) и выходом (13) ДУ, второе ТЗ (15), вход (16) которого соединен с коллектором Т (7), а выход (17) связан с коллектором Т (4). Вход (11) первого ТЗ (10) соединен с выходом (17) ТЗ (15). 10 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ)).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя μА741» [1-52] (фиг.1). На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом, стали основным усилительным элементом многих микросхем для аналоговых интерфейсов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг.2) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США № 4389579, содержащий первый входной каскад 1, выход 2 которого соединен с объединенными эмиттерами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, второй входной каскад 5, выход которого 6 соединен с объединенными эмиттерами третьего 7 и четвертого 8 выходных транзисторов, цепь установления 9 статического режима первого 3, второго 4, третьего 7 и четвертого 8 выходных транзисторов, связанная с их базами, первое токовое зеркало 10, вход 11 которого соединен с коллектором первого выходного транзистора 3, а выход 12 связан с коллектором четвертого выходного транзистора 8 и выходом 13 дифференциального усилителя, второе токовое зеркало 15, вход 16 которого соединен с коллектором третьего выходного транзистора 7, а выход 17 связан с коллектором второго выходного транзистора 4.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U_см).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый входной каскад 1, выход 2 которого соединен с объединенными эмиттерами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, второй входной каскад 5, выход которого 6 соединен с объединенными эмиттерами третьего 7 и четвертого 8 выходных транзисторов, цепь установления 9 статического режима первого 3, второго 4, третьего 7 и четвертого 8 выходных транзисторов, связанная с их базами, первое токовое зеркало 10, вход 11 которого соединен с коллектором первого выходного транзистора 3, а выход 12 связан с коллектором четвертого выходного транзистора 8 и выходом 13 дифференциального усилителя, второе токовое зеркало 15, вход 16 которого соединен с коллектором третьего выходного транзистора 7, а выход 17 связан с коллектором второго выходного транзистора 4, предусмотрены новые связи - вход 11 первого токового зеркала 10 соединен с выходом 17 второго токового зеркала 15.

На фиг.1 показана обобщенная архитектура дифференциального усилителя рассматриваемого класса, содержащего n-p-n и p-n-p транзисторы, которая имеет более 50 практических реализаций [1-52].

На фиг.2 представлен дифференциальный усилитель-прототип.

На фиг.3 показан заявляемый дифференциальный усилитель, у которого цепь установления статического режима 9 выполнена в частном случае по схеме без обратной связи.

На фиг.4 показан заявляемый дифференциальный усилитель, у которого цепь установления статического режима 9 выполнена по схеме с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу.

Дифференциальный усилитель фиг.5 является частным примером построения дифференциального усилителя фиг.3.

На фиг.6 и фиг.7 показаны схемы известного (фиг.6) и заявляемого (фиг.7) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар", а на фиг.8 - результаты расчета U_см схемы фиг.6 и заявляемого ДУ фиг.7.

На фиг.9 представлена схема известного ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», которая сравнивалась по U_см со схемой фиг.3. Результаты этого сравнительного расчета U_см показаны на фиг.10.

Дифференциальный усилитель фиг.3 содержит первый входной каскад 1, выход 2 которого соединен с объединенными эмиттерами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, второй входной каскад 5, выход которого 6 соединен с объединенными эмиттерами третьего 7 и четвертого 8 выходных транзисторов, цепь установления 9 статического режима первого 3, второго 4, третьего 7 и четвертого 8 выходных транзисторов, связанная с их базами, первое токовое зеркало 10, вход 11 которого соединен с коллектором первого выходного транзистора 3, а выход 12 связан с коллектором четвертого выходного транзистора 8 и выходом 13 дифференциального усилителя, второе токовое зеркало 15, вход 16 которого соединен с коллектором третьего выходного транзистора 7, а выход 17 связан с коллектором второго выходного транзистора 4. Вход 11 первого токового зеркала 10 соединен с выходом 17 второго токового зеркала 15.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.3.

В статическом режиме при нулевом напряжении между входами Вх.1 и Вх.2 в цепи нагрузки R_н протекает статический ток ошибки I_н, обусловленный разностью

Составляющая тока I₁₂ зависит от статических коллекторных токов транзисторов 3, 4 следующим образом

Таким образом

Учитывая, что коллекторные токи транзисторов 3, 4, 7, 8 приблизительно одинаковы I_к8=I_к3=I_к4=I_к7=I₀, из (3) можно найти, что

В схеме ДУ-прототипа аналогичный ток в нагрузке R_н

Таким образом, статическая ошибка по выходу в заявляемом устройстве уменьшается в N_g-раз, где

Поэтому приведенное ко входу напряжение смещения нуля U_см в заявляемом ДУ уменьшается

где S_ДУ - крутизна преобразования входного напряжения ДУ в его выходной ток.

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice (фиг.8, 10).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США № 3786362.

2. Патент США № 4030044.

3. Патент США № 4059808.

4. Патент США № 4286227.

5. Авт. свид. СССР № 375754, H03f 3/38.

6. Авт. свид. СССР №.843164, H03f 3/30.

7. Патент США № 3660773.

8. Патент США № 4560948.

9. Патент РФ №930041, H03f 1/32.

10. Патент Японии № 57-5364, H03f 3/343.

11. Патент ЧССР № 134845, кл. 21а² 18/08.

12. Патент ЧССР № 134849, кл. 21а² 18/08.

13. Патент ЧССР № 135326, кл. 21а² 18/08.

14. Патент США № 4389579

15. Патент Англии № 1543361, Н3Т.

16. Патент США № 5521552 (фиг.3а).

17. Патент США № 3617859.

18. Патент США № 5789949.

19. Патент США № 4453134.

20. Патент США № 4760286.

21. Авт. свид. СССР № 1283946.

22. Патент РФ № 2019019.

23. Патент США № 4453092.

24. Патент США №.3566289.

25. Патент США № 3649859.

26. Патент США № 3649926.

27. Патент США № 4714894 (фиг.1).

28. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.

29. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.

30. Патент США № 3828268.

31. Патент США № 4074205.

32. Патент США № 4176308.

33. Патент США № 4536663.

34. Патент США № 4818897.

35. Патент США № 4855684.

36. Патент США № 5233289.

37. Патент США № 5401995.

38. Патент США № 5406222.

39. Патент США № 5455533.

40. Патент США № 5521553.

41. Патент США № 5910748.

42. Патент США № 5010303.

43. Патент США № 4749958.

44. Патент США № 442928445. Патентная заявка US 2006/0091952.

46. Авт. свид. СССР № 603097.

47. Авт. свид. СССР № 932591.

48. Авт. свид. СССР № 1259472.

49. Авт. свид. СССР № 1720146.

50. Авт. свид. СССР №.736119.

51. Патент ФРГ № 2633952.

52. Патент ФРГ №.2930041.

Дифференциальный усилитель, содержащий первый входной каскад (1), выход (2) которого соединен с объединенными эмиттерами первого (3) и второго (4) выходных транзисторов, второй входной каскад (5), выход которого (6) соединен с объединенными эмиттерами третьего (7) и четвертого (8) выходных транзисторов, цепь установления (9) статического режима первого (3), второго (4), третьего (7) и четвертого (8) выходных транзисторов, связанная с их базами, первое токовое зеркало (10), вход (11) которого соединен с коллектором первого выходного транзистора (3), а выход (12) связан с коллектором четвертого выходного транзистора (8) и выходом (13) дифференциального усилителя, второе токовое зеркало (15), вход (16) которого соединен с коллектором третьего выходного транзистора (7), а выход (17) связан с коллектором второго выходного транзистора (4), отличающийся тем, что вход (11) первого токового зеркала (10) соединен с выходом (17) второго токового зеркала (15).