Прецизионный дифференциальный усилитель
Иллюстрации
Показать всеИзобретение 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 - уменьшение напряжения смещения нуля. Прецизионный дифференциальный усилитель (ПДУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, выходной транзистор (Т) (4), эмиттер которого связан с выходом (5) ПДУ и цепью установления статического режима (6), цепь активной нагрузки, содержащую первый Т (7) и второй Т (8) с объединенными базами, коллектор первого Т (7) соединен с первым (2) токовым выходом ДК (1), коллектор второго Т (8) соединен со вторым (3) токовым выходом ДК (1). В схему введен дополнительный Т (9), база которого соединена с коллектором первого Т (7), эмиттер связан с объединенными базами первого Т (7) и второго Т (8) через первый (10) дополнительный источник напряжения смещения (ИНС) и подключен к источнику опорного тока (11), а эмиттер Т (4) связан с выходом (5) ПДУ через второй (12) ИНС, причем напряжения на первом (10) и втором (12) ИНС выбираются исходя из выражения , где - напряжение источника питания ПДУ; Uэб.4 - напряжение между эмиттером и базой выходного Т (4) (Uэб≈0,7÷0,8 В); Е10 - напряжение на первом (10) ИНС; E12 - напряжение на втором (12) ИНС. 3 ил., 1 табл.
Реферат
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, прецизионных 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. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ОУ.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема ДУ (фиг.1), представленная в патенте США №6.114.904, fig.1, которая стала основой построения большого числа аналоговых устройств, например [1-8].
Существенный недостаток известного ДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля Uсм.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении Uсм.
Поставленная цель достигается тем, что в прецизионном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя и цепью установления статического режима 6, цепь активной нагрузки, содержащую первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы с объединенными базами, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора соединен с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 8 вспомогательного транзистора соединен со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 9, база которого соединена с коллектором первого 7 вспомогательного транзистора, эмиттер связан с объединенными базами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов через первый 10 дополнительный источник напряжения смещения и подключен к источнику опорного тока 11, а эмиттер выходного транзистора 4 связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя через второй 12 источник напряжения смещения, причем напряжения на первом 10 и втором 12 источниках напряжения смещения выбираются исходя из выражения
,
где - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;
Uэб.4 - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (Uэб≈0,7÷0,8 В);
Е10 - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;
E12 - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показана схема дифференциального усилителя-прототипа (правая часть) и заявляемого ДУ (левая часть) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
Прецизионный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 коллекторными выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя и цепью установления статического режима 6, цепь активной нагрузки, содержащую первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы с объединенными базами, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора соединен с первым 2 коллекторным выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 8 вспомогательного транзистора соединен со вторым 3 коллекторным выходом входного дифференциального каскада. В схему введен дополнительный транзистор 9, база которого соединена с коллектором первого 7 вспомогательного транзистора, эмиттер связан с объединенными базами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов через первый 10 дополнительный источник напряжения смещения и подключен к источнику опорного тока 11, а эмиттер выходного транзистора 4 связан с выходом 5 прецизионного дифференциального усилителя через второй 12 источник напряжения смещения. Для достижения поставленной цели напряжения на первом 10 и втором 12 источниках напряжения смещения выбираются исходя из выражения
,
где - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;
Uэб.4 - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (Uэб≈0,7÷0,8 В);
Е10 - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;
Е12 - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля Uсм в схеме на фиг.2.
Если суммарный ток общей эмиттерной цепи ДУ (1) (фиг.2) равен 2I0, то токи коллекторных выходов I2 (2) и I3 (3):
где Iб.р - ток базы n-p-n транзистора.
На основе первого закона Кирхгофа можно записать следующие уравнения для коллекторных (Iк) и эмиттерных (Iэ) токов
Поэтому для узла «В»
С учетом уравнений (1) и (2) находим, что в узле «В» происходит взаимная компенсация базовых токов однотипных транзисторов
Как следствие, это не требует смещения нуля ДУ1 на величину напряжения Uсм, подача которого на входы Вх.(+)1, Вх.(-)2 компенсирует разностный ток Iр в узле «В». Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной или температурной зависимостью. Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Iр в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения uвх ДУ (фиг.3) в выходной ток узла «А»
,
где rэ1=rэ2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.
Поэтому для схем фиг.1 - фиг.3
,
где φт=26 мВ - температурный потенциал.
В ДУ-прототипе Ip≠0, поэтому здесь систематическая составляющая Uсм получается на порядок больше (табл.1), чем в заявляемой схеме.
Таблица 1 | ||
Систематическая составляющая напряжения смещения нуля сравниваемых ОУ при различных Е10 и E12 | ||
Параметры | Uсм | |
Прототип | Заявляемая схема | |
1 | 2 | 3 |
Е10=3,6 В | ||
Е12=0,7 В | 2,0 мВ | 88,0 мкВ |
Е10=0,7 В | ||
Е12=3,6 В | 1,83 мВ | 98,4 мкВ |
Е10=4,3 В | ||
Е12=0 | 2,9 мВ | 86,6 мкВ |
Кроме этого величина второй составляющей Uсм, обусловленной внутренней обратной связью в транзисторах ДУ(1), а также 7 и 8 уменьшается более чем на порядок. При этом условие минимизации этой составляющей Uсм определяются формулой изобретения:
где - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;
Uэб.4 - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (Uэб≈0,7÷0,8 В);
Е10 - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;
Е12 - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.
Компьютерное моделирование схем фиг.3 (табл.1) подтверждает данные теоретические выводы - в заявляемом ДУ при соотношениях Е10 и Е12, соответствующих формуле (10), напряжение Uсм остается достаточно малым (88÷98,4 мкВ), а в ДУ-прототипе Uсм=1,83÷2,9 мВ.
Выбирая Е12 исходя из заданной амплитуды выходного напряжения ДУ, необходимо обеспечить строго определенное значение Е10 (10), минимизирующее Uсм более чем на порядок.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №4.042.886.
2. Патент Японии JP 10032437.
3. Патент Японии JP 2005033558.
4. Патент США №4.595.883, fig.4.
5. Патентная заявка США №2005/0063270 А1, fig.2.
6. Патент США №5.166.638, fig.1.
7. Патент США №5.537.081, fig.3.
8. Патент США №6.114.904.
Прецизионный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) коллекторными выходами, выходной транзистор (4), эмиттер которого связан с выходом (5) прецизионного дифференциального усилителя и цепью установления статического режима (6), цепь активной нагрузки, содержащую первый (7) и второй (8) вспомогательные транзисторы с объединенными базами, коллектор первого (7) вспомогательного транзистора соединен с первым (2) коллекторным выходом входного дифференциального каскада (1), коллектор второго (8) вспомогательного транзистора соединен со вторым (3) коллекторным выходом входного дифференциального каскада, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (9), база которого соединена с коллектором первого (7) вспомогательного транзистора, эмиттер связан с объединенными базами первого (7) и второго (8) вспомогательных транзисторов через первый (10) дополнительный источник напряжения смещения и подключен к источнику опорного тока (11), а эмиттер выходного транзистора (4) связан с выходом (5) прецизионного дифференциального усилителя через второй (12) источник напряжения смещения, причем напряжения на первом (10) и втором (12) источниках напряжения смещения выбираются, исходя из выражения ,где - напряжение источника питания прецизионного дифференциального усилителя;Uэб.4 - напряжение между эмиттером и базой выходного транзистора 4 (Uэб≈0,7÷0,8 В);Е10 - напряжение на первом 10 источнике напряжения смещения;E12 - напряжение на втором 12 источнике напряжения смещения.