Прецизионный операционный 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 эдс смещения нуля (ОУ)). Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля. Прецизионный операционный усилитель содержит входной преобразователь «напряжение-ток» (1), противофазные токовые выходы (2 и 3) которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима (6), третий выходной транзистор (7), коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора (5) и входом выходного буферного усилителя (8), эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора (9), а база подключена к базе второго (10) вспомогательного транзистора и коллектору первого (4) выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор (11), база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора (9) и эмиттером второго (10) вспомогательного транзистора. Коллектор второго (10) вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго (5) выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора (11) соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора. 1 з.п. ф-лы, 10 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 эдс смещения нуля (ОУ)).

Известны схемы прецизионных операционных усилителей (ДУ) на основе так называемых «перегнутых» каскадов [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (HA2520, HA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. 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 операционный усилитель, описанный в патенте фирмы Canon в США №6.144.234, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» 1, противофазные токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 6, третий выходной транзистор 7, коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора 5 и входом выходного буферного усилителя 8, эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 9, а база подключена к базе второго 10 вспомогательного транзистора и коллектору первого 4 выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор 11, база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора 9 и эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора.

Существенный недостаток известного операционного 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 усиления по напряжению.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ОУ, содержащем входной преобразователь «напряжение-ток» 1, противофазные токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 6, третий выходной транзистор 7, коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора 5 и входом выходного буферного усилителя 8, эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 9, а база подключена к базе второго 10 вспомогательного транзистора и коллектору первого 4 выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор 11, база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора 9 и эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора, предусмотрены новые связи - коллектор второго 10 вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора 11 соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора.

На фиг.1 показана схема ОУ-прототипа.

На фиг.2 представлена обобщенная схема заявляемого ОУ. Частный вариант построения вспомогательного транзистора 11 показан на фиг.3.

На фиг.4 представлен вариант построения ОУ, соответствующий фиг.2, в котором преобразователь «напряжение-ток» 1 реализован на основе «перегнутого» параллельно-балансного каскада.

На фиг.5 представлен другой вариант построения ОУ, соответствующий фиг.2, в котором преобразователь «напряжение-ток» 1 реализован на основе классического параллельно-балансного каскада.

На фиг.6 представлен другой вариант построения ОУ, соответствующий фиг.2, в котором преобразователь «напряжение-ток» 1 реализован на основе комплементарного дифференциального каскада на n-p-n и p-n-p транзисторах.

На фиг.7 представлена схема ОУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь напряжение смещения нуля - 1,8 мВ.

На фиг.8 представлена схема заявляемого ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Здесь U_см=0,2 мВ.

На фиг.9 показаны амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления разомкнутых ОУ фиг.7 и фиг.8.

На фиг.10 для сравнения и оценки эффективности предлагаемого технического решения показана схема одной из распространенных модификаций ОУ, в котором напряжение смещения нуля 6,2 мВ.

Прецизионный операционный усилитель содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, противофазные токовые выходы которого 2 и 3 соединены с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима 6, третий выходной транзистор 7, коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора 5 и входом выходного буферного усилителя 8, эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора 9, а база подключена к базе второго 10 вспомогательного транзистора и коллектору первого 4 выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор 11, база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора 9 и эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора. Коллектор второго 10 вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора 11 соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора.

На фиг.3, соответствующем п.2 формулы изобретения, в качестве третьего 11 вспомогательного транзистора используется составной транзистор, содержащий основной биполярный транзистор 12, в коллекторную цепь которого включен прямосмещенный дополнительный p-n переход 13.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).

В статическом режиме (u_вх=0) нулевое значение напряжения смещения нуля ОУ обеспечивается в том случае, если коллекторные токи транзисторов 5 и 7 равны друг другу (при нулевом входном токе буферного усилителя 2). Если статические значения I_к5≠I_к7, то это вызывает необходимость подачи между входами Вх.1 и Вх.2 напряжения U_см, которое приведет к равенству I_к5=I_к7 за счет изменения токов 12 и 13.

Взаимосвязь I_к5 и I_к7 можно установить с учетом следующих токовых соотношений в схеме фиг.2, вытекающих из первого закона Кирхгофа:

I_к4=α₄I₂; I_к5=(I₃-I_к10)α₅;

I_к11=I_к4-I_б-I^* _б=I_э11-I_б;

I_э11=I_к4-I^* _б;

I_э9=I_э11=I_К4-I^* _б;

I_к9=I_э9-I_б=I_к4-I_б-I^* _б=I_э7;

I_к7=I_э7-I_б=I_к4-2I_б-I^* _б;

I_э10=2I_б; I_к10=2I_б-I^* _б;

I_к5=α₅I₃-α₅2I_б+α₅I^* _б;

I_к7=α₄I₂-2I_б+I^* _б;

где α₄, α₅≈1 - коэффициенты усиления по току эмиттера;

I^* _б - ток базы транзистора 10.

Из двух последних формул следует, что разность токов

ΔI=I_к5-I_к7=I(α₅-α₄)+2I_б(1-α₅)+2I^* _б,

где I=I₂=I₃.

Так как α₅=α₄, то

где β₁₀>>1 - коэффициент передачи по току базы транзистора 10.

Разность токов ΔI приводится ко входу ОУ через эквивалентную крутизну для дифференциального сигнала:

.

То есть напряжение смещения нуля ОУ фиг.2

.

Можно показать, что в схеме ОУ-прототипа, фиг.1,

.

Таким образом, при равенстве крутизн в предлагаемом устройстве напряжение смещения нуля уменьшается по сравнению с прототипом в N_c paз, где

или

.

Если положить, что β=β₅=β₁₀, то выигрыш по величине U_см

N_c=β>>1.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.7, 8 и 10.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества по статической точности в сравнении с ОУ-прототипом.

Источники информации

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 №6.218.900, фиг.1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.

4. Патент США №6.788.143.

5. Патент США №3.644.838, фиг.2.

6. Патент США Re 30.587.

7. Патент EP 1.227.580.

8. Патент США №6.714.076.

9. Патент США №5.786.729.

10. Патент США №5.327.100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 А1.

12. Патент США №4.274.061.

13. Патент США №5.422.600, фиг.2.

14. Патент США №6.788.143, фиг.2.

15. Патент США №4.959.622, фиг.1.

16. Патент США №4.406.990, фиг.4.

17. Патент США №5.418.491.

18. Патент США №6.018.268.

19. Патент США №5.952.882.

20. Патент США №4.723.111.

21. Патент США №4.293.824.

22. Патент США №6.580.325.

23. Патент США №6.965.266.

24. Патент США №6.867.643.

25. Патент США №6.236.270.

26. Патент США №5.323.121.

27. Патент США №6.229.394.

28. Патент США №5.734.296.

29. Патент США №5.477.190.

30. Патент США №5.091.701.

31. Патент США №6.717.474.

32. Патент США №6.084.475.

33. Патент США №3.733.559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.

35. Патент США №6.300.831.

1. Прецизионный операционный усилитель, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1), противофазные токовые выходы (2) и (3) которого соединены с эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, базы которых подключены к цепи установления статического режима (6), третий выходной транзистор (7), коллектор которого соединен с коллектором второго выходного транзистора (5) и входом выходного буферного усилителя (8), эмиттер соединен с коллектором первого вспомогательного транзистора (9), а база подключена к базе второго (10) вспомогательного транзистора и коллектору первого (4) выходного транзистора, третий вспомогательный транзистор (11), база которого связана с базой первого вспомогательного транзистора (9) и эмиттером второго (10) вспомогательного транзистора, отличающийся тем, что коллектор второго (10) вспомогательного транзистора соединен с эмиттером второго (5) выходного транзистора, а коллектор третьего вспомогательного транзистора (11) соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве третьего (11) вспомогательного транзистора используется составной транзистор, содержащий основной биполярный транзистор (12), в коллекторную цепь которого включен прямосмещенный дополнительный p-n переход (13).