RU2400925C1

RU2400925C1 - Differential operating amplifier

Info

Publication number: RU2400925C1
Application number: RU2009141035/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Владимир Гавриилович Манжула (RU); Владимир Гавриилович Манжула; Сергей Анатольевич Морозов (RU); Сергей Анатольевич Морозов
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-09-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention can be used as amplification device of analogue signals, in structure of analogue microcircuit chips of various functional purposes (e.g. in comparing units and computing amplifiers with low e.m.f. values of zero offset). Differential operating amplifier contains the first (1) input differential stage with the first (2) and second (3) current outputs, the first (4) current mirror, buffer amplifier (5) the base of input transistor (6) of which is connected to output of first (4) current mirror, and emitter - to output of buffer amplifier (5), the first pedestal current source (7), the first output of which is connected to bus of first (8) power source, the second power source (9) connected to emitter output of first (4) current mirror. To the scheme there introduced is second (10) input differential stage the first (11) current output of which is connected to input of second (12) current mirror, second (13) current output is connected to input of first (4) current mirror and connected to output of second (12) current mirror and the first output of second (14) pedestal current source the second output of which is connected to bus of first (8) power source, first (2) current output of first (1) input differential stage is connected to output of first (4) current mirror and input of buffer amplifier (5), emitter output of second (12) current mirror is connected to bus of second (9) power source, and the second output of first (7) pedestal current source is connected to output of buffer amplifier.

EFFECT: decreasing absolute offset voltage value of UCM and its temperature and radiation drift at using current mirrors in the scheme.

4 cl, 5 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, в компараторах и решающих усилителях с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, in comparators and solving amplifiers with small values of the emf of zero bias).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами.In modern electronic equipment, differential operational amplifiers (op amps) with significant different parameters are used.

Особое место занимают дифференциальные операционные усилители (ОУ) с неуправляемой сигналом активной нагрузкой (токовым зеркалом), обеспечивающей непосредственное управление буферным усилителем. Такие ОУ имеют одноканальную структуру передачи по цепи общей отрицательной обратной связи и характеризуются меньшими фазовыми искажениями сигнала, более высокими показателями, характеризующими устойчивость ОУ.A special place is occupied by differential operational amplifiers (op amps) with an uncontrolled active load signal (current mirror), which provides direct control of the buffer amplifier. Such op-amps have a single-channel transmission structure along the general negative feedback circuit and are characterized by lower phase distortions of the signal and higher indices characterizing the stability of the op-amp.

Предлагаемое изобретение относится к классу ОУ на базе несимметричных входных каскадов [1-11], которые до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня.The present invention relates to the class of op-amps based on asymmetric input stages [1-11], which until now have been used only in devices with low requirements for stability of zero level.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ОУ (фиг.1), представленная в патенте США №4.415.868, fig,3, которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов токовые зеркала с несимметричным включением (по отношению к входному каскаду).The closest in essence to the claimed technical solution is the classical OA scheme (Fig. 1), presented in US patent No. 4.415.868, fig, 3, which is also present in a large number of other patents and monographs, for example [1-11], having as a load circuit of the input transistors, current mirrors with asymmetric inclusion (with respect to the input stage).

Существенный недостаток известного ОУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (U_см), зависящей от погрешности передачи по току применяемого токового зеркала. Особенно существенной эта погрешность получается при использовании в качестве токового зеркала простейших схемотехнических решений.A significant disadvantage of the known OS (Fig. 1) is that it has an increased value of the systematic component of the zero bias voltage (U _cm ), which depends on the current transmission error of the current mirror used. This error is especially significant when using the simplest circuitry solutions as a current mirror.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения U_см, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току, не равный единице K_i≠1. Такое значение K_i характерно для многих классических токовых зеркал.The main objective of the invention is to reduce the absolute value of U _cm , as well as its temperature and radiation drift when using current mirrors in the circuit having a current transfer coefficient not equal to unity K _i ≠ 1. Such a value of K _{i is} characteristic of many classical current mirrors.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, буферный усилитель 5, база входного транзистора 6 которого связана с выходом первого 4 токового зеркала, а эмиттер с выходом буферного усилителя 5, первый источник опорного тока 7, первый вывод которого связан с шиной первого 8 источника питания, второй источник питания 9, связанный с эмиттерным выходом первого 4 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 10 входной дифференциальный каскад, первый 11 токовый выход которого соединен со входом второго 12 токового зеркала, второй 13 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 12 токового зеркала и первым выводом второго 14 источника опорного тока, второй вывод которого соединен с шиной первого 8 источника питания, первый 2 токовый выход первого 1 входного дифференциального каскада соединен с выходом первого 4 токового зеркала и входом буферного усилителя 5, эмиттерный выход второго 12 токового зеркала соединен с шиной второго 9 источника питания, а второй вывод первого 7 источника опорного тока соединен с выходом буферного усилителя.The problem is achieved in that in the differential operational amplifier (Fig. 1), containing the first 1 input differential stage with the first 2 and second 3 current outputs, the first 4 current mirror, buffer amplifier 5, the base of the input transistor 6 of which is connected with the output of the first 4 current mirror, and the emitter with the output of the buffer amplifier 5, the first reference current source 7, the first output of which is connected to the bus of the first 8 power source, the second power source 9, associated with the emitter output of the first 4 current mirror, is provided new elements and connections are introduced - a second 10 input differential stage is introduced into the circuit, the first 11 current output of which is connected to the input of the second 12 current mirror, the second 13 current output is connected to the input of the first 4 current mirror and connected to the output of the second 12 current mirror and the first output second 14 of the reference current source, the second terminal of which is connected to the bus of the first 8 power source, the first 2 current output of the first 1 input differential stage is connected to the output of the first 4 current mirror and the input of the buffer amplifier 5, the emitter output of the second 12 current mirror is connected to the bus of the second 9 power source, and the second output of the first 7 reference current source is connected to the output of the buffer amplifier.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства, соответствующая формуле изобретения по п.1, п.2, п.3, п.4.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device corresponding to the claims according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4.

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы ОУ-прототипа и заявляемого ОУ (в соответствии с п.1, п.2, п.3, п.4 формулы изобретения) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».Figure 3 and figure 4 shows a diagram of an op-amp prototype and the claimed op-amp (in accordance with claim 1, claim 2, claim 3, claim 4 of the claims) in the computer simulation environment PSpice on integrated transistor models of FSUE NLP " Pulsar".

На фиг.5 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем на фиг.3 и фиг.4.Figure 5 shows the temperature dependence of the zero bias voltage of the compared circuits in figure 3 and figure 4.

Заявляемый дифференциальный операционный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, буферный усилитель 5, база входного транзистора 6 которого связана с выходом первого 4 токового зеркала, а эмиттер с выходом буферного усилителя 5, первый источник опорного тока 7, первый вывод которого связан с шиной первого 8 источника питания, второй источник питания 9, связанный с эмиттерным выходом первого 4 токового зеркала. В схему введен второй 10 входной дифференциальный каскад, первый 11 токовый выход которого соединен со входом второго 12 токового зеркала, второй 13 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 12 токового зеркала и первым выводом второго 14 источника опорного тока, второй вывод которого соединен с шиной первого 8 источника питания, первый 2 токовый выход первого 1 входного дифференциального каскада соединен с выходом первого 4 токового зеркала и входом буферного усилителя 5, эмиттерный выход второго 12 токового зеркала соединен с шиной второго 9 источника питания, а второй вывод первого 7 источника опорного тока соединен с выходом буферного усилителя.The inventive differential operational amplifier (figure 2) contains the first 1 input differential stage with the first 2 and second 3 current outputs, the first 4 current mirror, buffer amplifier 5, the base of the input transistor 6 of which is connected to the output of the first 4 current mirror, and the emitter with the output buffer amplifier 5, the first reference current source 7, the first output of which is connected to the bus of the first 8 power source, the second power source 9, connected to the emitter output of the first 4 current mirrors. The second 10 input differential stage is introduced into the circuit, the first 11 current output of which is connected to the input of the second 12 current mirror, the second 13 current output is connected to the input of the first 4 current mirror and connected to the output of the second 12 current mirror and the first output of the second 14 reference current source, the second output of which is connected to the bus of the first 8 power supply, the first 2 current output of the first 1 input differential stage is connected to the output of the first 4 current mirror and the input of the buffer amplifier 5, the emitter output of the second 12 ovogo mirror connected to the bus 9 of the second power source and the second terminal of the first reference current source 7 connected to the output of the buffer amplifier.

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения шина источника питания 9 соединена со вторым 3 токовым выходом первого 1 входного дифференциального каскада через первую 15 цепь согласования потенциалов.In Fig. 2, in accordance with claim 2, the power supply bus 9 is connected to the second 3 current output of the first 1 input differential stage through the first 15 potential matching circuit.

На фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения второй 13 токовый выход второго 10 входного дифференциального каскада подключен ко входу первого 4 токового зеркала через вторую 16 цепь согласования потенциалов.In Fig.2, in accordance with claim 3 of the claims, the second 13 current output of the second 10 input differential stage is connected to the input of the first 4 current mirror through the second 16 potential matching circuit.

На фиг.2 в соответствии с п.4 формулы изобретения эмиттер входного транзистора 6 буферного усилителя 5 связан с выходом буферного усилителя 5 через третью 17 цепь согласования потенциалов.In Fig. 2, in accordance with claim 4, the emitter of the input transistor 6 of the buffer amplifier 5 is connected to the output of the buffer amplifier 5 through the third 17 potential matching circuit.

Первый 1 и второй 10 входные дифференциальные каскады в схеме на фиг.2 реализованы соответственно на транзисторах 20, 21, двухполюснике 22, а также на транзисторах 23, 24 и двухполюснике 25.The first 1 and second 10 input differential stages in the circuit of figure 2 are implemented respectively on transistors 20, 21, two-terminal 22, as well as on transistors 23, 24 and two-terminal 25.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (U_см) в схеме на фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.Consider the factors that determine the systematic component of the zero bias voltage (U _cm ) in the circuit of figure 2, i.e. circuit-dependent op amps.

Если величины токов двухполюсников 22 и 25 первого 1 и второго 10 входных дифференциальных каскадов равны 2I₀, а токи первого 7 и второго 14 источников опорного тока - величине I₀, то токи коллекторов транзисторов 20, 21, 23, 24 первого 1 и второго 10 входных дифференциальных каскадов определяются соотношениями:If the currents of two-terminal networks 22 and 25 of the first 1 and second 10 input differential stages are 2I ₀ , and the currents of the first 7 and second 14 sources of the reference current are I ₀ , then the collector currents of the transistors 20, 21, 23, 24 of the first 1 and second 10 input differential stages are determined by the relations:

где I_б.р=I₀/β_i - ток базы n-p-n транзистора при токе эмиттера I_э=I₀,where I _bp = I ₀ / β _i is the base current npn of the transistor at the emitter current I _e = I ₀ ,

β_i - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.β _i is the current gain of the base of the i-th transistor.

Поэтому выходной ток второго 12 токового зеркала определяется какTherefore, the output current of the second 12 current mirror is defined as

где I_р12 - разность токов на выходе и входе второго 12 токового зеркала.where I _p12 is the difference of the currents at the output and input of the second 12 current mirrors.

Токи на входе и выходе первого 4 токового зеркала равны суммам следующих токов:The currents at the input and output of the first 4 current mirrors are equal to the sums of the following currents:

Так как токовые зеркала 4 и 12 выполнены с использованием идентичных схемотехнических решений, то их токи ошибки одинаковы (I_р12=I_р4). Следовательно, выходной ток токового зеркала 4Since the current mirrors 4 and 12 are made using identical circuitry solutions, their error currents are the same (I _p12 = I _p4 ). Therefore, the output current of the current mirror 4

Поэтому разность токов в узле «A» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину равна нулю:Therefore, the current difference in the node "A" with its short circuit to the equipotential common bus is equal to zero:

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (6) уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_Σ в узле «A» создает U_см, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения u_вх в выходной ток узла «A»:Thus, in the inventive device, when condition (6) is fulfilled, the systematic component U _cm decreases due to the finite value of β transistors and its radiation (or temperature) dependence. As a result, this reduces U _cm , since the differential current I _Σ in the node “A” creates U _cm , which depends on the steepness S of the conversion of the input differential voltage u _in to the output current of the node “A”:

где r_э20=r_э21 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 20 и 21 первого 1 входного дифференциального каскада.where r _e20 = r _e21 are the resistance of the emitter junctions of the input transistors 20 and 21 of the first 1 input differential stage.

Поэтому для схемы на фиг.2Therefore, for the circuit of FIG. 2

где φ_т=26 мВ - температурный потенциал.where φ _t = 26 mV is the temperature potential.

В ОУ-прототипе I_Σ≠0, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.In the op-amp prototype I _Σ ≠ 0, therefore, here the systematic component U _{cm is} obtained at least an order of magnitude more than in the claimed scheme.

Компьютерное моделирование схем на фиг.3, фиг.4 подтверждает (фиг.5) данные теоретические выводы.Computer simulation of the circuits in figure 3, figure 4 confirms (figure 5) these theoretical conclusions.

Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий предлагаемый ОУ и в этих условиях имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.Despite a significant decrease in β transistors due to radiation exposure, the proposed op-amp and in these conditions has a lower bias voltage than the op-amp prototype.

Включение дополнительной цепи согласования потенциалов 15 способствует симметрированию режимов работы первого 1 входного дифференциального каскада, повышению стабильности U_см. В качестве цепи согласования потенциалов 15 могут использоваться резистивно-диодные делители напряжения питания, каскодные усилители и т.п.The inclusion of an additional potential matching circuit 15 contributes to the balancing of the operating modes of the first 1 input differential stage, increasing the stability of U _see As a potential matching circuit 15, resistive-diode voltage dividers, cascode amplifiers, and the like can be used.

Авторы рекомендуют введение второй 16 и третьей 17 цепей согласования потенциалов для дальнейшего снижения U_см и формирования заданной амплитуды выходного напряжения ОУ.The authors recommend the introduction of the second 16 and third 17 potential matching circuits to further reduce U _cm and generate a given amplitude of the op-amp output voltage.

В ряде случаев в заявляемом ОУ могут использоваться входы второго 10 входного дифференциального каскада, что позволяет реализовать на его основе так называемые мультидифференциальные ОУ, имеющие большие перспективы применения в микросхемотехнике.In some cases, in the claimed op-amp, the inputs of the second 10 input differential stage can be used, which makes it possible to implement on its basis the so-called multidifferential op-amps, which have great prospects for use in microcircuitry.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей современных систем на кристалле.Thus, the claimed device has significant advantages compared to the prototype in terms of the value of the static error of amplification of DC signals and can be used as IP modules of modern systems on a chip.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент США №4.415.868, fig.3.1. US patent No. 4.415.868, fig. 3.

2. Патент ФРГ №2928841, fig.3.2. Germany patent No. 2928841, fig.3.

3. Патент Японии JP 54-34589, кл. 98(5) A014.3. Japan Patent JP 54-34589, CL 98 (5) A014.

4. Патент Японии JP 154-10221, кл. H03F 3/45.4. Japanese Patent JP 154-10221, CL H03F 3/45.

5. Патент Японии JP 54-102949, кл. 98(5)A21.5. Japan patent JP 54-102949, cl. 98 (5) A21.

6. Патент США №4.366.442, fig.2.6. US patent No. 4.366.442, fig.2.

7. Патент США №6.426.678.7. US patent No. 6.426.678.

8. Патентная заявка США 2007/0152753, fig.5c.8. US Patent Application 2007/0152753, fig.5c.

9. Патент США №6.531.920, fig.4.9. US Patent No. 6,531,920, fig. 4.

10. Патент США №4.262.261.10. US patent No. 4.262.261.

11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 272 с. - Рис.9.3 (стр.235).11. Ezhkov Yu.A. Handbook of amplifier circuitry. - 2nd ed., Revised. - M .: IP RadioSoft, 2002 .-- 272 p. - Fig. 9.3 (p. 235).

Claims

1. A differential operational amplifier comprising a first input differential stage with first and second current outputs, a first current mirror, a buffer amplifier, the base of the input transistor of which is connected to the output of the first current mirror, and the emitter to the output of the buffer amplifier, the first reference current source, the first the output of which is connected to the bus of the first power source, the second power source associated with the emitter output of the first current mirror, characterized in that the second input differential cascade, the first current output of which is connected to the input of the second current mirror, the second current output is connected to the input of the first current mirror and connected to the output of the second current mirror and the first output of the second reference current source, the second output of which is connected to the bus of the first power source, the first current the output of the first input differential stage is connected to the output of the first current mirror and the input of the buffer amplifier, the emitter output of the second current mirror is connected to the bus of the second power source, and second terminal of the first reference current source connected to the output of the buffer amplifier.

2. The differential operational amplifier according to claim 1, characterized in that the power supply bus is connected to the second current output of the first input differential stage through the first potential matching circuit.

3. The differential operational amplifier according to claim 1, characterized in that the second current output of the second input differential stage is connected to the input of the first current mirror through the second potential matching circuit.

4. The differential operational amplifier according to claim 1, characterized in that the emitter of the input transistor of the buffer amplifier is connected to the output of the buffer amplifier through a third potential matching circuit.