Каскодный дифференциальный 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 эдс смещения нуля). Технический результат - уменьшение напряжения смещения. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения (6), соединенный с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, токовое зеркало (7), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход - с коллектором второго (5) выходного транзистора и базой входного транзистора (8) буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя (9), соединенную с его выходом (10). В схему введен дополнительный транзистор (11), база которого подключена ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), эмиттер соединен с коллектором входного транзистора (8) буферного усилителя, а коллектор связан с выходом (10) буферного усилителя. 2 з.п. ф-лы, 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, широкополосных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями эдс смещения нуля U_см).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ДУ с каскодной архитектурой, относящиеся к числу наиболее высокочастотных. Предполагаемое изобретение относится к данному типу устройств [1-16].

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема фиг.1 (патент США №4.232.273), которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств и интерфейсов.

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля U_CM.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U_CM.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения 6, соединенный с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход - с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 8 буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя 9, соединенную с его выходом 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 8 буферного усилителя, а коллектор связан с выходом 10 буферного усилителя.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1-п.3 формулы изобретения. На чертеже фиг.3 показаны статические токи в схеме заявляемого устройства фиг.2. Однако тип проводимости применяемых в схеме фиг.3 транзисторов противоположен типу проводимости соответствующих транзисторов в схеме фиг.2.

На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» и результаты расчета его напряжения смещения нуля: U_см=576 мкВ.

На чертеже фиг.5 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а также результаты определения систематической составляющей его напряжения смещения нуля: U_см=-38,8 мкВ.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения 6, соединенный с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, токовое зеркало 7, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, а выход - с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 8 буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя 9, соединенную с его выходом 10. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 8 буферного усилителя, а коллектор связан с выходом 10 буферного усилителя.

На чертежах фиг.2 и фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, токовое зеркало 7 содержит p-n переход 12 и выходной транзистор 13, причем база выходного транзистора 13 соединена со входом токового зеркала 7 и первым выводом p-n перехода 12, коллектор связан с выходом токового зеркала 7, а эмиттер подключен ко второму выводу p-n перехода 12.

На чертеже фиг.4, соответствующем п.3 формулы изобретения, выход 10 буферного усилителя соединен со входом выходного повторителя напряжения 14.

Рассмотрим работу схемы фиг.3 на постоянном токе.

В связи с конечной величиной коэффициента передачи тока базы транзисторов (β=20÷50) для схемы фиг.3 можно составить следующие уравнения Кирхгофа:

где I_к4, I_к5, I_к8, I_к13 - коллекторные токи транзисторов 4, 5, 8, 13;

I₁₂ - ток через p-n переход 12;

I_э5, I_э13 - эмиттерный ток транзисторов 5 и 13;

2I₀ - суммарный ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада.

Сумма токов для узла «А»

или после преобразования

С учетом численных значений β последнее уравнение можно представить в виде

.

Таким образом, при β₈≈β₁₁≈β₁₃ и одинаковом изменении β транзисторов под действием радиации (или температуры) в узле «А» обеспечивается взаимная компенсация токов ошибки, связанных с конечными значениями токов базы. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_р в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u_вх ДУ фиг.3 в выходной ток узла «А»

,

где r_э1=r_э2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1. Поэтому для схем фиг.1 - фиг.3

U_см=I_р(r_э1+r_э2).

В ДУ-прототипе I_R≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_CM получается на порядок больше (фиг.4), чем в заявляемой схеме (фиг.5).

Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент США №3.660.773.

2. Патент Франции №1.484.340.

3. Патент ФРГ №1.214.775.

4. Патент Англии №1520085.

5. Патент США №3.482.177.

6. Патент Англии №1212342.

7. Патент ФРГ №1537590.

8. Патент Франции №1548008.

9. Патентная заявка ФРГ №2418455.

10. Патент Франции №2227574.

11. Ав. свид. СССР №970638.

12. Патент Швеции №359989.

13. Патент Англии №1500993.

14. Ав. свид. СССР №276170.

15. Патент Англии №1334759.

16. Патент Японии №53-35352.

1. Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, вспомогательный источник напряжения (6), соединенный с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, токовое зеркало (7), вход которого соединен с коллектором первого (4) выходного транзистора, а выход - с коллектором второго (5) выходного транзистора и базой входного транзистора (8) буферного усилителя, цепь нагрузки буферного усилителя (9), соединенную с его выходом (10), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (11), база которого подключена ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), эмиттер соединен с коллектором входного транзистора (8) буферного усилителя, а коллектор связан с выходом (10) буферного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что токовое зеркало (7) содержит p-n переход (12) и выходной транзистор (13), причем база выходного транзистора (13) соединена со входом токового зеркала (7) и первым выводом p-n перехода (12), коллектор связан с выходом токового зеркала (7), а эмиттер подключен ко второму выводу p-n перехода (12).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход (10) буферного усилителя соединен со входом выходного повторителя напряжения (14).