Каскодный дифференциальный усилитель

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, операционных усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля (ОУ)). Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля. Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной параллельно-балансный каскад (1), токовые выходы которого (2) и (3) соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы (6) и (7) связаны с шиной источника питания (8), первый (9) источник опорного тока, связанный с коллекторами первого (4) выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора (10), эмиттер которого соединен с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника (11), второй (12) источник опорного тока, подключенный к коллектору второго (5) выходного транзистора и базе входного транзистора (13) выходного эмиттерного повторителя. Второй вывод вспомогательного двухполюсника (11) соединен со входом (14) дополнительного токового зеркала (15), выход которого (16) подключен к эмиттеру входного транзистора (13) выходного эмиттерного повторителя. 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, операционных усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля (ОУ)).

Известны схемы прецизионных дифференциальных операционных усилителей (ОУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.). В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 50 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ДУ, описанный в патенте фирмы Canon в США №5420540 (фиг.1), содержащий входной параллельно-балансный каскад 1, токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы 6 и 7 связаны с шиной источника питания 8, первый 9 источник опорного тока, связанный с коллекторами первого 4 выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора 10, эмиттер которого соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, второй 12 источник опорного тока, подключенный к коллектору второго 5 выходного транзистора и базе входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя.

Существенный недостаток известного каскодного дифференциального усилителя состоит в том, что он характеризуется сравнительно большим напряжением смещения нуля (U_см).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля. Дополнительная цель - создание условий для повышения коэффициента ослабления помехи по питанию.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ДУ, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы 6 и 7 связаны с шиной источника питания 8, первый 9 источник опорного тока, связанный с коллекторами первого 4 выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора 10, эмиттер которого соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, второй 12 источник опорного тока, подключенный к коллектору второго 5 выходного транзистора и базе входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя, предусмотрены новые связи - второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 соединен со входом 14 дополнительного токового зеркала 15, выход которого 16 подключен к эмиттеру входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя.

На фиг.1 показана схема каскодного дифференциального усилителя-прототипа.

На фиг.2 представлена обобщенная схема заявляемого ДУ.

Частный вариант построения дополнительного токового зеркала 15 показан на фиг.3.

На фиг.4 представлен вариант построения ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», соответствующий архитектуре фиг.2 (но на менее качественных р-n-р транзисторах), для случая, когда дополнительное токовое зеркало 15 имеет идеальные параметры (его коэффициент усиления тока К_i=1). Здесь (без учета параметров элементов) U_см=54 мкВ.

На фиг.5 представлен другой вариант построения ДУ, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»,соответствующий фиг.2, для случая, когда дополнительное токовое зеркало 15 имеет реальное построение, соответствующее фиг.3. Здесь U_см=93 мкВ.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы 6 и 7 связаны с шиной источника питания 8, первый 9 источник опорного тока, связанный с коллекторами первого 4 выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора 10, эмиттер которого соединен с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника 11, второй 12 источник опорного тока, подключенный к коллектору второго 5 выходного транзистора и базе входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя. Второй вывод вспомогательного двухполюсника 11 соединен со входом 14 дополнительного токового зеркала 15, выход которого 16 подключен к эмиттеру входного транзистора 13 выходного эмиттерного повторителя.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).

Статический режим по току транзисторов 4 и 5 КДУ фиг.2 определяется двухполюсником 9. Для цепи базы транзистора 10 справедливо следующее уравнение Кирхгофа:

где I_K4 - ток коллектора транзистора 4;

I_б10 - ток базы транзистора 10.

Поэтому эмиттерный ток транзистора 4

где I_б4 - ток базы транзистора 4.

При идентичных резисторах 6 и 7 и одинаковых токах выходов 2 и 3 эмиттерный ток транзистора 5 будет равен эмиттерному току транзистора 4

Поэтому ток коллектора транзистора

Для цепи базы транзистора 13

Из последнего уравнения следует, что при I₉=I₁₂ условием взаимной компенсации токов в цепи базы транзистора 13 и, как следствие, малых напряжений U_см будет равенство

Так как эмиттерные токи транзисторов 10 и 13 одинаковы благодаря дополнительному токовому зеркалу 15, то условие (6) в заявляемой схеме выполняется в широком диапазоне изменений токов I₉=I₁₂, а также токов I₃ и I₂, вызванных влиянием нестабильности питания и температуры.

Как следствие предлагаемая схема КДУ имеет более низкие значения U_см.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.4 и 5. Численные значения систематической составляющей U_см (без учета разброса параметров элементов) лежат для этих схем в диапазоне 60÷100 мкВ. В то же время в КДУ-прототипе U_см изменяется единицами милливольт.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.

2. Патент США №6218900, фиг.1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.

4. Патент США №6788143.

5. Патент США №3644838, фиг.2.

6. Патент США Re 30.587.

7. Патент ЕР 1227580.

8. Патент США №6714076.

9. Патент США №5786729.

10. Патент США №5327100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4274061.

13. Патент США №5422600, фиг.2.

14. Патент США №6788143, фиг.2.

15. Патент США №4959622, фиг.1.

16. Патент США №4406990, фиг.4.

17. Патент США №5418491.

18. Патент США №6018268.

19. Патент США №5952882.

20. Патент США №4723111.

21. Патент США №4293824.

22. Патент США №6580325.

23. Патент США №6965266.

24. Патент США №6867643.

25. Патент США №6236270.

26. Патент США №5323121.

27. Патент США №6229394.

28. Патент США №5734296.

29. Патент США №5477190.

30. Патент США №5091701.

31. Патент США №6717474.

32. Патент США №6084475.

33. Патент США №3733559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.

35. Патент США №6300831.

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1), токовые выходы которого (2) и (3) соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов и через токостабилизирующие резисторы (6) и (7) связаны с шиной источника питания (8), первый (9) источник опорного тока, связанный с коллекторами первого (4) выходного транзистора и базой вспомогательного транзистора (10), эмиттер которого соединен с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов и первым выводом вспомогательного двухполюсника (11), второй (12) источник опорного тока, подключенный к коллектору второго (5) выходного транзистора и базе входного транзистора (13) выходного эмиттерного повторителя, отличающийся тем, что второй вывод вспомогательного двухполюсника (11) соединен со входом (14) дополнительного токового зеркала (15), выход которого (16) подключен к эмиттеру входного транзистора (13) выходного эмиттерного повторителя.