Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля

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 (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля). Технический результат: снижение напряжения смещения нуля при одновременном повышении коэффициента усиления. Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, первый (4) источник опорного тока, соединенный с базой первого (5) выходного транзистора и связанный со вторым (3) коллекторным выходом, второй (6) выходной транзистор, база которого подключена к эмиттеру первого (5) выходного транзистора, а эмиттер связан с выходом (7) операционного усилителя, цепь установления статического режима (8), связанную с выходом (7) операционного усилителя. Первый (2) токовый выход входного дифференциального каскада (1) соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора. 3 з.п. ф-лы, 9 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 (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предполагаемое изобретение относится к данному типу ОУ [1-5].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ОУ является классическая схема фиг.1, представленная в монографии Алексеенко А.Г. (Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры [Текст] /А.Г. Алексеенко. - Изд. 2-е. - М.: Сов. Радио, 1977. - С.285, рис.9.41), которая стала основой построения большого числа различных аналоговых устройств, например [2-5], в том числе выпускаемых ведущими микроэлектронными фирмами США [5].

Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U_см) и невысокий коэффициент усиления по напряжению (К_у) без обратной связи. Это не позволяет реализовать на его основе различные решающие устройства с большим петлевым усилением и малой статической погрешностью.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U_см при одновременном повышении К_у.

Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, первый 4 источник опорного тока, соединенный с базой первого 5 выходного транзистора и связанный со вторым 3 коллекторным выходом, второй 6 выходной транзистор, база которого подключена к эмиттеру первого 5 выходного транзистора, а эмиттер связан с выходом 7 операционного усилителя, цепь установления статического режима 8, связанную с выходом 7 операционного усилителя, предусмотрены новые элементы и связи - первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2, п.3 формулы изобретения. На фиг.3 представлена схема ОУ, также соответствующая п.1-п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 приведены токи в схеме ОУ фиг.2.

На фиг.5 показан частный случай выполнения ОУ фиг.2.

На фиг.6 показана схема ОУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.7 показана зависимость К_у от частоты ОУ фиг.5.

На фиг.8 приведена схема заявляемого ОУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.9 - амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг.8.

Операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, первый 4 источник опорного тока, соединенный с базой первого 5 выходного транзистора и связанный со вторым 3 коллекторным выходом, второй 6 выходной транзистор, база которого подключена к эмиттеру первого 5 выходного транзистора, а эмиттер связан с выходом 7 операционного усилителя, цепь установления статического режима 8, связанную с выходом 7 операционного усилителя. Первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора.

В частном случае (фиг.2, фиг.3, фиг.4) входной параллельно-балансный каскад 1 реализован на основе входных транзисторов 12, 13 и токостабилизирующих двухполюсниках 14 (15).

На фиг.2 - фиг.3, соответствующих п.2 формулы изобретения, эмиттер второго 6 выходного транзистора связан с выходом 7 операционного усилителя через первую 9 цепь согласования потенциалов.

В частном случае в качестве элементов 14 и 8 в схеме фиг.3 используются резисторы.

На фиг.3, соответствующей также п.3 формулы изобретения, цепь установления статического режима 8 связана с выходом 9 операционного усилителя через вторую 10 цепь согласования потенциалов.

На фиг.2, фиг.3, фиг.4, соответствующих п.4 формулы изобретения, первый 4 источник опорного тока связан со вторым 3 коллекторным выходом через дополнительный р-n переход 11.

В операционном усилителе фиг.2 входной дифференциальный каскад реализован на основе транзисторов 16, 17, 18, 19, р-n переходах 20, 21 и двухполюснике 22.

Рассмотрим работу схемы фиг.4 на постоянном токе.

В связи с конечной величиной коэффициента передачи тока базы применяемых транзисторов (β=50÷100) при одинаковых величинах токов источников 4, 14, 15 и 8 (I₄=I₁₄=I₁₅=I₈=I₀) для узлов «А» и «В» схемы можно составить следующие уравнения Кирхгофа:

Учитывая, что I_бi=I_эi/β_i из уравнения (1) следует, что в узле «А» обеспечивается полная взаимная компенсация всех токов, что является необходимым условием уменьшения U_см в данной схеме ОУ.

Аналогично для узла «В» находим, что I_э5=I₀, что создает достаточно точное условие компенсации тока I_б5 током I_б13.

Таким образом, в предлагаемой схеме обеспечивается минимизация составляющей U_см, обусловленной токами базы применяемых транзисторов. Это позволяет рекомендовать ее для использования в радиационно стойких ОУ, так как под воздействием радиации β транзисторов меняется в несколько раз.

Кроме этого в заявляемом ОУ обеспечивается уменьшение составляющей U_см, обусловленной внутренней обратной связью в транзисторах (µ=ΔU_эб/AU_кб≈10^-3). Следует отметить, что при идентичных значениях µ всех транзисторов отличие статического режима входных транзисторов 12-13 по напряжению коллектор-база в ДУ-прототипе фиг.1 является основной причиной смещения его нуля. В заявляемом устройстве за счет введения элементов 11 и 10 обеспечиваются одинаковые условия для работы транзисторов 12 и 13, а также двухполюсников 14, 15 и 8. В целом это повышает стабильность нуля ОУ фиг.4.

Данные выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.6 и фиг.8 - систематическая составляющая напряжения смещения нуля уменьшается с 1,45 мВ (фиг.6) до 22 мкВ (фиг.8), т.е. более чем в 50 раз.

Замечательной особенностью предлагаемого усилителя является повышение (более чем на порядок) коэффициента усиления по напряжению К_у. Для ОУ прототипа фиг.1

где r₃ - выходное сопротивление дифференциального каскада относительно выхода 3;

r₄ - выходное сопротивление двухполюсника 4;

R_вх.5=β₅β₆R_н;

R_вх.5 - эквивалентное сопротивление нагрузки R_Н, приведенное к узлу «А»;

- крутизна входного дифференциального каскада 1, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов транзисторов 12 и 13 (r_э12, r_э13);

β₅, β₆ - коэффициент усиления тока базы транзисторов 5 и 6.

В связи с тем, что β>50 при R_H≥1 кОм, эквивалентное сопротивление R_экв в узле 3 определяется транзисторами 12 и 13:

где µ - коэффициент внутренней обратной связи транзистора.

Поэтому численные значения предельного коэффициента усиления ОУ фиг.1 по напряжению

В предлагаемом устройстве (фиг.2 - фиг.4) максимально возможный коэффициент усиления К_у·mах≤|(µ₁₂-µ₁₃)|^-1. Поэтому за счет минимизации влияния статического режима на разность коэффициентов внутренней обратной связи µ₁₂-µ₁₃ транзисторов 12 и 13 коэффициент усиления по напряжению К_у схемы фиг.2 (фиг.3, фиг.4) возрастает более чем на порядок.

Действительно, компьютерное моделирование (фиг.7 и фиг.9) показывает, что заявляемый ОУ имеет более чем на 20 дБ большее усиление (К_у>10⁴ или 82 дБ).

Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высокими качественными показателями, что позволяет рекомендовать его для массового применения в архитектуре аналоговых интерфейсов (особенно в тех случаях, когда требуются десятки-сотни операционный усилителей с малой потребляемой мощностью).

Источники информации

1. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры [Текст] /А.Г. Алексеенко. - Изд. 2-е. - М.: Сов. Радио, 1977, с.285, рис.9.41.

2. Патент США №5.262.688.

3. Патент Японии №51-112253.

4. Патент США №6.531.920 В1, fig.4.

5. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001, с.149, операционные усилители LF155, рис.1.

1. Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, первый (4) источник опорного тока, соединенный с базой первого (5) выходного транзистора и связанный со вторым (3) коллекторным выходом, второй (6) выходной транзистор, база которого подключена к эмиттеру первого (5) выходного транзистора, а эмиттер связан с выходом (7) операционного усилителя, цепь установления статического режима (8), связанную с выходом (7) операционного усилителя, отличающийся тем, что первый (2) токовый выход входного дифференциального каскада (1) соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттер второго (6) выходного транзистора связан с выходом (7) операционного усилителя через первую (9) цепь согласования потенциалов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь установления статического режима (8) связана с выходом (9) операционного усилителя через вторую (10) цепь согласования потенциалов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый (4) источник опорного тока связан со вторым (3) коллекторным выходом через дополнительный p-n переход (11).