RU2346387C1 - Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием - Google Patents
Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием Download PDFInfo
- Publication number
- RU2346387C1 RU2346387C1 RU2008103971/09A RU2008103971A RU2346387C1 RU 2346387 C1 RU2346387 C1 RU 2346387C1 RU 2008103971/09 A RU2008103971/09 A RU 2008103971/09A RU 2008103971 A RU2008103971 A RU 2008103971A RU 2346387 C1 RU2346387 C1 RU 2346387C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- current
- parallel
- stage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.). Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1), общая эмиттерная цепь (2) которого связана с первой шиной (3) источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (4), первый токовый выход (5) входного параллельно-балансного каскада (1) связан с входом (6) токового зеркала (7), согласованного со второй шиной (8) источника питания, второй токовый выход (9) входного параллельно-балансного каскада (1), связанный со входом (10) выходного каскада (11) и выходом (12) токового зеркала (7). В схему введены первая (13) и вторая (14) цепи смещения потенциалов, причем первый токовый выход (5) параллельно-балансного каскада (1) связан с входом (6) токового зеркала (7) через первую (13) цепь смещения потенциалов, а второй токовый выход (9) параллельно-балансного каскада (1) связан с выходом (12) токового зеркала (7) через вторую (14) цепь смещения потенциалов. Технический результат - повышение температурной стабильности. 5 ил.
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, в операционных усилителях, компараторах и т.п.).
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе двух параллельно-включенных дифференциальных каскадов с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов и выходных каскадов, выполненных по схеме с общим эмиттером [1-15]. ДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных операционных усилителей [1-15], в т.ч. операционных усилителей с опцией rail-to-rail (имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжению питания). Однако такие дифференциальные усилители имеют ряд недостатков - это достаточно высокое напряжение смещения нуля Uсм (порядка сотен микровольт - единиц милливольт) и высокий температурный дрейф Uсм, связанный со структурными особенностями схемы.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №4417216, содержащий входной параллельно-балансный каскад 1, общая эмиттерная цепь 2 которого связана с первой шиной 3 источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, первый токовый выход 5 входного параллельно-балансного каскада 1 связан с входом 6 токового зеркала 7, согласованного со второй шиной 8 источника питания, второй токовый выход 9 входного параллельно-балансного каскада 1 связан со входом 10 выходного каскада 11 и выходом 12 токового зеркала 7, причем выходной каскад 11 содержит входной 15 и выходной 16 транзисторы, база входного транзистора 15 соединена со входом 10 выходного каскада 11, эмиттер связан со второй шиной 8 источника питания через двухполюсник 17 и соединен с базой выходного транзистора 16, эмиттер которого подключен ко второй шине 8 источника питания, а коллектор соединен с выходом 18 выходного каскада 11 и связан со второй шиной 8 источника питания через источник тока 19.
Существенный недостаток известного дифференциального усилителя состоит в том, что он имеет относительно высокое напряжение смещения нуля Uсм и повышенную температурную нестабильность Uсм.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля Uсм и повышении его температурной стабильности.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, общая эмиттерная цепь 2 которого связана с первой шиной 3 источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, первый токовый выход 5 входного параллельно-балансного каскада 1 связан с входом 6 токового зеркала 7, согласованного со второй шиной 8 источника питания, второй токовый выход 9 входного параллельно-балансного каскада 1 связан со входом 10 выходного каскада 11 и выходом 12 токового зеркала 7, причем выходной каскад 11 содержит входной 15 и выходной 16 транзисторы, база входного транзистора 15 соединена со входом 10 выходного каскада 11, эмиттер связан со второй шиной 8 источника питания через двухполюсник 17 и соединен с базой выходного транзистора 16, эмиттер которого подключен ко второй шине 8 источника питания, а коллектор соединен с выходом 18 выходного каскада 11 и связан со второй шиной 8 источника питания через источник тока 19, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первая 13 и вторая 14 цепи смещения потенциалов, первый токовый выход 5 параллельно-балансного каскада 1 связан с входом 6 токового зеркала 7 через первую 13 цепь смещения потенциалов, а второй токовый выход 9 параллельно-балансного каскада 1 связан с выходом 12 токового зеркала 7 через вторую 14 цепь смещения потенциалов, причем в схему также введен дополнительный транзистор 20, база которого соединена с первым токовым выходом 5 параллельно-балансного каскада 1, эмиттер связан с базой выходного транзистора 16 выходного каскада 11, а коллектор дополнительного транзистора 20 соединен с первой шиной 3 источника питания.
Схема заявляемого устройства показана на фиг.2. При этом в соответствии с формулой изобретения выходной каскад 11 содержит входной 15 и выходной 16 транзисторы, база входного транзистора 15 соединена со входом 10 выходного каскада 11, эмиттер соединен со второй шиной 8 источника питания через двухполюсник 17 и связан с базой выходного транзистора 16, эмиттер которого подключен ко второй шине 8 источника питания, а коллектор соединен с выходом 18 выходного каскада 11 и связан со второй шиной 8 источника питания через источник тока 19.
Кроме этого в схему введен дополнительный транзистор 20, база которого соединена с первым токовым выходом 5 параллельно-балансного каскада 1, эмиттер связан с базой 21 выходного транзистора 16 выходного каскада 11, а коллектор дополнительного транзистора 20 согласован с первой шиной 3 источника питания. За счет введения дополнительного транзистора 20 повышается стабильность работы выходного каскада 11 и дифференциального усилителя в целом.
На фиг.3 в среде PSpice показана схема ДУ-прототипа фиг.1, которая исследовалась авторами при определении зависимости напряжения смещения нуля Uсм (170 мкВ при 27°С) от температуры.
На фиг.4 показана схема заявляемого дифференциального усилителя (фиг.2), которая также исследовалась авторами в среде PSpice при определении зависимости напряжения смещения нуля Uсм (2,6 мкВ при 27°С) от температуры. Исследования проводились на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На графике фиг.5 показаны зависимости напряжения смещения нуля Uсм от температуры, полученные при исследовании авторами схем прототипа и заявляемого дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, общая эмиттерная цепь 2 которого связана с первой шиной 3 источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, первый токовый выход 5 входного параллельно-балансного каскада 1 связан с входом 6 токового зеркала 7, согласованного со второй шиной 8 источника питания, второй токовый выход 9 входного параллельно-балансного каскада 1 связан со входом 10 выходного каскада 11 и выходом 12 токового зеркала 7, причем выходной каскад 11 содержит входной 15 и выходной 16 транзисторы, база входного транзистора 15 соединена со входом 10 выходного каскада 11, эмиттер связан со второй шиной 8 источника питания через двухполюсник 17 и соединен с базой выходного транзистора 16, эмиттер которого подключен ко второй шине 8 источника питания, а коллектор соединен с выходом 18 выходного каскада 11 и связан со второй шиной 8 источника питания через источник тока 19. В схему введены первая 13 и вторая 14 цепи смещения потенциалов, причем первый токовый выход 5 параллельно-балансного каскада 1 связан с входом 6 токового зеркала 7 через первую 13 цепь смещения потенциалов, а второй токовый выход 9 параллельно-балансного каскада 1 связан с выходом 12 токового зеркала 7 через вторую 14 цепь смещения потенциалов. В схему также введен дополнительный транзистор 20, база которого соединена с первым токовым выходом 5 параллельно-балансного каскада 1, эмиттер связан с базой выходного транзистора 16 выходного каскада 11, а коллектор дополнительного транзистора 20 соединен с первой шиной 3 источника питания.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
Одной из доминирующих причин, влияющих на статические параметры современных транзисторных дифференциальных усилителей, является эффект Эрли, связанный с влиянием величины напряжения коллектор-эмиттер (Uкэ) или коллектор-база (Uкб) на входные характеристики транзисторов. Данный фактор недооценивается в современной технической литературе, что приводит к существенным ошибкам при проектировании микросхем.
В предлагаемом техническом решении за счет введения элементов 13 и 14 формируются условия, при которых эффект Эрли создает в эмиттерных переходах транзисторов дифференциального каскада 1 и транзисторах токового зеркала 7 противоположные по знаку, но компенсирующие друг друга смещения входных характеристик. Это позволяет за счет симметрирования напряжений
минимизировать влияние внутренней обратной связи в транзисторах схемы на основные статические параметры ДУ: Uсм, коэффициент ослабления входных синфазных сигналов, температурный дрейф Uсм и т.д. В зависимости от числа р-n переходов во входной цепи выходного каскада 11 число р-n переходов в элементах смещения 13 и 14 может меняться. Так, при использовании в схеме ДУ выходного каскада 11 по патенту США №4417216 элементы 13 и 14 должны содержать не по одному, а по два р-n перехода. Таким образом, входной каскад схемы фиг.2 несмотря на асимметрию архитектуры обладает высокой симметрией статического режима.
Дополнительным фактором, улучшающим систематическую составляющую Uсм, является введение транзистора 20, ток базы которого Iб компенсирует входной ток буферного усилителя 11.
Предлагаемая система мер создает условия для уменьшения Uсм и его температурного дрейфа.
Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва) (фиг.4, фиг.5) - заявляемый ДУ имеет более, чем на порядок меньшее напряжение смещения нуля (2,6 мкВ), обусловленное структурными особенностями схемы (без учета разброса параметров элементов), и значительно лучшую температурную стабильность Uсм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4417216 (прототип).
2. Патент Японии 2004040157.
3. Патентная заявка США №2004/0061544.
4. Патентная заявка США №2003/0155959.
5. Патентная заявка США №2003/0141919.
6. Патент США №6292033.
7. Патент США №5936468.
8. Патент США №4866397.
9. Патент США №4331929.
10. Патент DE №10321442.
11. Патент США №6262628.
12. Патент США №6172551.
13. Патент США №5461342.
14. Патент США №5373741.
15. Патент США №6917257.
Claims (1)
- Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1), общая эмиттерная цепь (2) которого связана с первой шиной (3) источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (4), первый токовый выход (5) входного параллельно-балансного каскада (1) связан с входом (6) токового зеркала (7), согласованного со второй шиной (8) источника питания, второй токовый выход (9) входного параллельно-балансного каскада (1) связан со входом (10) выходного каскада (11) и выходом (12) токового зеркала (7), причем выходной каскад (11) содержит входной (15) и выходной (16) транзисторы, база входного транзистора (15) соединена с входом (10) выходного каскада (11), эмиттер связан с второй шиной (8) источника питания через двухполюсник (17) и соединен с базой выходного транзистора (16), эмиттер которого подключен ко второй шине (8) источника питания, а коллектор - соединен с выходом (18) выходного каскада (11) и связан с второй шиной (8) источника питания через источник тока (19), отличающийся тем, что в схему введены первая (13) и вторая (14) цепи смещения потенциалов, первый токовый выход (5) параллельно-балансного каскада (1) связан с входом (6) токового зеркала (7) через первую (13) цепь смещения потенциалов, а второй токовый выход (9) параллельно-балансного каскада (1) связан с выходом (12) токового зеркала (7) через вторую (14) цепь смещения потенциалов, причем в схему также введен дополнительный транзистор (20), база которого соединена с первым токовым выходом (5) параллельно-балансного каскада (1), эмиттер связан с базой выходного транзистора (16) выходного каскада (11), а коллектор дополнительного транзистора (20) соединен с первой шиной (3) источника питания.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008103971/09A RU2346387C1 (ru) | 2008-02-01 | 2008-02-01 | Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008103971/09A RU2346387C1 (ru) | 2008-02-01 | 2008-02-01 | Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2346387C1 true RU2346387C1 (ru) | 2009-02-10 |
Family
ID=40546882
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008103971/09A RU2346387C1 (ru) | 2008-02-01 | 2008-02-01 | Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2346387C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444118C1 (ru) * | 2011-01-11 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный операционный усилитель с несимметричным выходом по величине тока нагрузки |
-
2008
- 2008-02-01 RU RU2008103971/09A patent/RU2346387C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444118C1 (ru) * | 2011-01-11 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный операционный усилитель с несимметричным выходом по величине тока нагрузки |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2523124C1 (ru) | Мультидифференциальный операционный усилитель | |
| RU2346387C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с низковольтным питанием | |
| RU2346388C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2523947C1 (ru) | Выходной каскад усилителя мощности на основе комплементарных транзисторов | |
| RU2419196C1 (ru) | Широкополосный дифференциальный усилитель | |
| RU2416155C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель | |
| RU2396699C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным входным дифференциальным сопротивлением | |
| RU2412530C1 (ru) | Комплементарный дифференциальный усилитель | |
| RU2474952C1 (ru) | Операционный усилитель | |
| RU2411634C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2411636C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2419187C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенной стабильностью нулевого уровня | |
| RU2396698C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2416152C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель | |
| RU2621289C1 (ru) | Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления | |
| RU2394360C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением | |
| RU2293433C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением входного синфазного сигнала | |
| RU2449465C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель | |
| RU2455758C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2368063C1 (ru) | Активная нагрузка дифференциальных усилителей | |
| RU2278466C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала | |
| RU2459348C1 (ru) | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления | |
| RU2487467C1 (ru) | Устройство для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах | |
| RU2517699C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с пассивным параллельным каналом | |
| RU2374758C1 (ru) | Комплементарный каскодный дифференциальный усилитель |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130202 |