RU2331966C1

RU2331966C1 - Differential amplifier with minor zero offset voltage

Info

Publication number: RU2331966C1
Application number: RU2007115714/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Даниил Николаевич Конев (RU); Даниил Николаевич Конев; Андрей Васильевич Хорунжий (RU); Андрей Васильевич Хорунжий
Original assignee: ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-08-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention may be used within the structure of different functional analogue microchips. Differential amplifier with minor zero offset voltage includes complementary input differential stage (1) having anti-phase current outputs 1 (2) and 2 (3) matched with positive power supply bus (4), anti-phase current outputs 3 (5) and 4 (6) matched with negative power supply bus (7), output transistors 1 (8) and 2 (9), with integrated bases connected to offset voltage source (10), transistor collector (8) linked with current mirror (12) input (11). Current mirror output (13) is coupled with transistor collector (9) and differential amplifier output (14), input differential stage (1) current outputs 1 (2) and 2 (3) being linked with emitters of output transistors 1 (8) and 2 (9) and corresponding current-stabilising impedors (15) and (16). Circuit includes additional current mirror (17) with input connected to input differential stage (1) current output 3 (5), while current mirror output is connected to input differential stage (1) current output 4 (6) and current mirror 1 (12) input (1).

EFFECT: decrease in zero offset voltage within wide range of current transfer ratio for current mirrors.

6 dwg

Description

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)).The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps)).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ), реализованных на основе двух параллельно включенных дифференциальных каскадов (ДК) с источниками опорного тока в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage» или «комплементарных дифференциальных усилителей (КДУ)») [1-20]. По такой архитектуре, на модификации которой выдано около 100 патентов различных стран, выполнены операционные усилители ведущих микроэлектронных фирм (AD8631, AD8632, НА2539 и др.). Однако в практических схемах известных ДУ напряжение смещения нуля (U_см) (эдс смещения нуля) даже при совершенно идентичных транзисторах измеряется единицами милливольт, что обусловлено свойствами их архитектуры - повышенным влиянием коэффициентов передачи по току используемых токовых зеркал на U_см.There are known schemes of differential amplifiers (ДУ), implemented on the basis of two parallel-connected differential cascades (ДК) with reference current sources in the emitter circuits of input transistors (the so-called "dual input stage" or "complementary differential amplifiers (KDU)") [1-20 ]. According to this architecture, the modification of which issued about 100 patents of various countries, the operational amplifiers of leading microelectronic companies (AD8631, AD8632, HA2539, etc.) were made. However, in practical circuits of the well-known DEs, the zero bias voltage (U _cm ) (zero bias emf) is measured even with completely identical transistors in millivolts, due to the properties of their architecture - the increased influence of the current transfer coefficients of the used current mirrors on U _cm .

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №4649352, содержащий комплементарный входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания 4, третий 5 и четвертый 6 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной отрицательного источника питания 7, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы, объединенные базы которых подключены к источнику напряжения смещения 10, коллектор первого выходного транзистора 8 соединен со входом 11 первого токового зеркала 12, выход которого 13 связан с коллектором второго выходного транзистора 9 и выходом дифференциального усилителя 14, причем первый 2 и второй 3 токовые выходы комплементарного входного дифференциального каскада 1 соединены с эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов и соответствующими токостабилизирующими двухполюсниками 15 и 16.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a differential amplifier described in US patent No. 4649352, containing a complementary input differential stage 1, having first 2 and second 3 antiphase current outputs, matched with the bus positive power supply 4, third 5 and fourth 6 out-of-phase current outputs, coordinated with the bus of the negative power source 7, the first 8 and second 9 output transistors, the combined bases of which are connected to a bias voltage source 10, the collector of the first output the bottom of the transistor 8 is connected to the input 11 of the first current mirror 12, the output of which 13 is connected to the collector of the second output transistor 9 and the output of the differential amplifier 14, and the first 2 and second 3 current outputs of the complementary input differential stage 1 are connected to the emitters of the first 8 and second 9 output transistors and the corresponding current-stabilizing two-terminal 15 and 16.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет повышенные значения напряжения смещения нуля.A significant drawback of the known remote control is that it has increased values of the bias voltage of zero.

Отличие от единицы коэффициента передачи по току токовых зеркал данных ДУ не позволяет получить малые значения U_см даже при совершенно идентичных транзисторах, что отрицательно сказывается на погрешностях аналоговых интерфейсов на их основе.The difference from the unit of the current transfer coefficient of the current mirrors of the remote control data does not allow to obtain small values of U _cm even with completely identical transistors, which negatively affects the errors of the analog interfaces based on them.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля дифференциального усилителя в широком диапазоне изменения коэффициентов передачи по току его токовых зеркал.The main objective of the invention is to reduce the zero bias voltage of a differential amplifier over a wide range of current transfer coefficients of its current mirrors.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем комплементарный входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания 4, третий 5 и четвертый 6 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной отрицательного источника питания 7, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы, объединенные базы которых подключены к источнику напряжения смещения 10, коллектор первого выходного транзистора 8 соединен со входом 11 первого токового зеркала 12, выход которого 13 связан с коллектором второго выходного транзистора 9 и выходом дифференциального усилителя 14, причем первый 2 и второй 3 токовые выходы комплементарного входного дифференциального каскада 1 соединены с эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов и соответствующими токостабилизирующими двухполюсниками 15 и 16, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено дополнительное токовое зеркало 17, вход которого соединен с третьим токовым выходом 5 комплементарного входного дифференциального каскада 1, а выход связан с четвертым токовым выходом 6 комплементарного входного дифференциального каскада 1 и входом 11 первого токового зеркала 12.This goal is achieved by the fact that in the differential amplifier of figure 1, containing a complementary input differential stage 1, having the first 2 and second 3 antiphase current outputs matched with the bus positive power supply 4, the third 5 and fourth 6 antiphase current outputs matched with the bus negative power supply 7, the first 8 and second 9 output transistors, the combined bases of which are connected to a bias voltage source 10, the collector of the first output transistor 8 is connected to the input 11 of the first the current mirror 12, the output of which 13 is connected to the collector of the second output transistor 9 and the output of the differential amplifier 14, and the first 2 and second 3 current outputs of the complementary input differential stage 1 are connected to the emitters of the first 8 and second 9 output transistors and the corresponding current-stabilizing two-terminal 15 and 16, new elements and connections are provided - an additional current mirror 17 is introduced into the circuit, the input of which is connected to the third current output 5 of the complementary input differential about stage 1, and the output is connected to the fourth current output 6 of the complementary input differential stage 1 and input 11 of the first current mirror 12.

На фиг.2 представлена структура типового комплементарного дифференциального усилителя 1, реализованного на n-р-n и р-n-р транзисторах с источниками тока в их общей эмиттерной цепи.Figure 2 presents the structure of a typical complementary differential amplifier 1, implemented on npn and pnp transistors with current sources in their common emitter circuit.

Схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения показана на фиг.3.A diagram of the inventive device in accordance with the claims is shown in figure 3.

На фиг.4 показана компьютерная модель известного усилителя в среде компьютерного моделирования PSpice с использованием транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».Figure 4 shows a computer model of a known amplifier in a computer simulation environment PSpice using transistors FSUE NPP "Pulsar".

На фиг.5 и 6 представлены графики зависимости напряжения смещения нуля от коэффициентов передачи по току токовых зеркал (К_i).Figures 5 and 6 are graphs of the dependence of the zero bias voltage on the current transfer coefficients of the current mirrors (K _i ).

Дифференциальный усилитель фиг.3 содержит комплементарный входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания 4, третий 5 и четвертый 6 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной отрицательного источника питания 7, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы, объединенные базы которых подключены к источнику напряжения смещения 10, коллектор первого выходного транзистора 8 соединен со входом 11 первого токового зеркала 12, выход которого 13 связан с коллектором второго выходного транзистора 9 и выходом дифференциального усилителя 14, причем первый 2 и второй 3 токовые выходы комплементарного входного дифференциального каскада 1 соединены с эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов и соответствующими токостабилизирующими двухполюсниками 15 и 16. В схему введено дополнительное токовое зеркало 17, вход которого соединен с третьим токовым выходом 5 комплементарного входного дифференциального каскада 1, а выход связан с четвертым токовым выходом 6 комплементарного входного дифференциального каскада 1 и входом 11 первого токового зеркала 12.The differential amplifier of Fig. 3 comprises a complementary input differential stage 1 having first 2 and second 3 antiphase current outputs matched to a positive power supply bus 4, third 5 and fourth 6 antiphase current outputs matched to a negative power supply bus 7, first 8 and the second 9 output transistors, the combined bases of which are connected to a bias voltage source 10, the collector of the first output transistor 8 is connected to the input 11 of the first current mirror 12, the output of which 13 is connected An with the collector of the second output transistor 9 and the output of the differential amplifier 14, and the first 2 and second 3 current outputs of the complementary input differential stage 1 are connected to the emitters of the first 8 and second 9 output transistors and the corresponding current-stabilizing two-terminal 15 and 16. An additional current mirror is introduced into the circuit 17, the input of which is connected to the third current output 5 of the complementary input differential stage 1, and the output is connected to the fourth current output 6 of the complementary input differential stage 1 and input 11 of the first current mirror 12.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ.Consider the work of the claimed remote control.

В статическом режиме выходные токи входного комплементарного каскада 1 равныIn static mode, the output currents of the input complementary stage 1 are equal

При идентичных сопротивлениях токостабилизирующих двухполюсников 15 и 16 коллекторные токи транзисторов 8 и 9 также могут быть равны другWith identical resistances of the current-stabilizing two-terminal networks 15 and 16, the collector currents of the transistors 8 and 9 can also be equal to each other

При этом в цепи нагрузки R_н создается первая составляющая статического тока ошибки

, обусловленная разностьюThus in the load circuit R _n creates the first component of the static error current

due to the difference

где К_i12≤1 - коэффициент усиления по току токового зеркала 12.where K _i12 ≤1 is the current gain of the current mirror 12.

Аналогичное уравнение можно записать для входной цепи повторителя тока 17, который идентичен токовому зеркалу 12:A similar equation can be written for the input circuit of the current repeater 17, which is identical to the current mirror 12:

где K_i17 - коэффициент усиления по току токового зеркала 17.where K _i17 is the current gain of the current mirror 17.

Разностный ток I_р поступает на вход 1 токового зеркала 12 и создает в нагрузке R_н вторую составляющую статической ошибки

, которая противоположна по знаку первой составляющей

The differential current I _p enters the input 1 of the current mirror 12 and creates in the load R _{n the} second component of the static error

which is opposite in sign of the first component

В результате суммарный статический ток ошибки в нагрузке R_н уменьшаетсяAs a result, the total static error current in the load R _n decreases

где К_i=K_il2=K_i17≤1.where K _i = K _il2 = K _i17 ≤1.

В схеме ДУ-прототипа при идентичных статических режимахIn the scheme of the remote control prototype with identical static modes

Поэтому напряжение смещения нуля заявляемой и известной схемTherefore, the zero bias voltage of the claimed and known circuits

где S_ду - крутизна усиления дифференциального сигнала ДУ.where S _do - the gain of the differential signal of the remote control.

Таким образом, в предлагаемом устройстве составляющая напряжения смещения нуля, обусловленная влиянием токовых зеркал, в Nc-раз меньше, чем в ДУ-прототипе, где

Thus, in the proposed device, the component of the bias voltage of zero, due to the influence of current mirrors, is Nc-fold less than in the remote control prototype, where

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice - напряжение смещения нуля в зависимости от численных значений K_i уменьшается в 5-10 раз.The above conclusions are confirmed by the simulation results of the proposed circuits in the PSpice environment — the zero bias voltage, depending on the numerical values of K _i, decreases 5-10 times.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент РФ №2193273, H03F 3/45.1. RF patent No. 2193273, H03F 3/45.

2. Патент Японии №53-25232, H03F 3/26, 98(5) А332.2. Japan Patent No. 53-25232, H03F 3/26, 98 (5) A332.

3. Патент US 2001/0052818 А1, H03F, 3/45.3. Patent US 2001/0052818 A1, H03F, 3/45.

4. Патент Японии № JP 8222972.4. Japanese Patent No. JP 8222972.

5. Авт. свид. СССР №611288.5. Auth. testimonial. USSR No. 611288.

6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М. Радио и связь, 1989. - стр.103, Рис.6.11.6. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M. Radio and Communications, 1989. - p. 103, Fig. 6.11.

7. Патент США №6366170, B1 H03F/45.7. US Patent No. 6366170, B1 H03F / 45.

8. Патент США №6268769, H03F/45.8. US Patent No. 6268769, H03F / 45.

9. Патент США №3974455, H03F/45.9. US patent No. 3974455, H03F / 45.

10. Патент США №3968451, H03F/45.10. US patent No. 3968451, H03F / 45.

11. Патент США №4837523, H03F/45.11. US patent No. 4837523, H03F / 45.

12. Патент США №5291149, H03F/45.12. US Patent No. 5291149, H03F / 45.

13. Патент США №4636743, H03F/45.13. US patent No. 4636743, H03F / 45.

14. Патент США №4783637, H03F/45.14. US patent No. 4783637, H03F / 45.

15. Патент США №5515005, H03F/45.15. US patent No. 5515005, H03F / 45.

16. Патент США №5291149, H03F/45.16. US Patent No. 5291149, H03F / 45.

17. Патент США №5140280, H03F/45.17. US patent No. 5140280, H03F / 45.

18. Патент США №5455535, H03F/45.18. US patent No. 5455535, H03F / 45.

19. Патент США №5523718, H03F/45.19. US patent No. 5523718, H03F / 45.

20. Патент США №4600893, H03F/45.20. US patent No. 4600893, H03F / 45.

Claims

A differential amplifier with a low zero bias voltage, containing a complementary input differential stage (1) having the first (2) and second (3) antiphase current outputs, matched with the positive bus of the power source (4), the third (5) and fourth (6) out-of-phase current outputs matched to the negative power supply bus (7), the first (8) and second (9) output transistors, the combined bases of which are connected to a bias voltage source (10), the collector of the first output transistor (8) is connected to the input (11) ) first current mirror (12), the output (13) of which is connected to the collector of the second output transistor (9) and the output of the differential amplifier (14), the first (2) and second (3) current outputs of the complementary input differential stage (1) connected to emitters of the first (8) and second (9) output transistors and corresponding current-stabilizing two-terminal devices (15) and (16), characterized in that an additional current mirror (17) is introduced into the circuit, the input of which is connected to the third current output (5) of the complementary input differential askada (1), and an output connected to a fourth current output (6) of complementary input differential stage (1) and the inlet (11) of the first current mirror (12).