RU2416149C1 - Differential operating amplifier with low zero offset voltage - Google Patents

Differential operating amplifier with low zero offset voltage Download PDF

Info

Publication number
RU2416149C1
RU2416149C1 RU2009142660/09A RU2009142660A RU2416149C1 RU 2416149 C1 RU2416149 C1 RU 2416149C1 RU 2009142660/09 A RU2009142660/09 A RU 2009142660/09A RU 2009142660 A RU2009142660 A RU 2009142660A RU 2416149 C1 RU2416149 C1 RU 2416149C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
input
output
bus
emitter
Prior art date
Application number
RU2009142660/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко (RU)
Николай Николаевич Прокопенко
Владимир Гавриилович Манжула (RU)
Владимир Гавриилович Манжула
Сергей Анатольевич Морозов (RU)
Сергей Анатольевич Морозов
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority to RU2009142660/09A priority Critical patent/RU2416149C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2416149C1 publication Critical patent/RU2416149C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: differential operating amplifier with low zero offset voltage includes the first (1) input differential cascade (DC) with the first (2) and the second (3) current outputs, the first (4) current mirror (CM) the input of which is connected to the first (2) current output of the first DC (1), and output is connected to input of buffer amplifier (5) and to source of pedestal current (6), emitter output of the first CM (4) is connected to bus of power supply (7). To the diagram there introduced is the second (8) input DC, the first (9) current output of which is connected to input of the second CM (10), and the second (11) current output is connected to input of the first CM (4) and to output of the second CM (10) and base of additional transistor (12) the emitter of which is connected to the second (3) current output of the first DC (1), and collector is connected to bus of power supply (7).
EFFECT: decreasing absolute value Uoffset, its temperature and radiation drift at using current mirrors in the diagram.
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, в компараторах и решающих усилителях с малыми значениями эдс 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 несимметричным включением активной нагрузки (токового зеркала), обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем (БУ). Такие ОУ обладают важным качеством - они имеют так называемый rail-to-rail выход («от шины питания до шины питания») и предельно простую структуру. Однако ОУ данного класса [1-11] до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня, так как их напряжение смещения нуля изменяется единицами-десятками милливольт.A special place is occupied by differential operational amplifiers (op amps) with asymmetric inclusion of an active load (current mirror), which provides direct control of a push-pull buffer amplifier (BU). Such op-amps have an important quality - they have a so-called rail-to-rail output (“from the power bus to the power bus”) and an extremely simple structure. However, op-amps of this class [1–11] have so far been used only in devices with low requirements for stability of the zero level, since their zero bias voltage varies by units or tens of millivolts.

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 scheme of the op-amp of 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], which have current mirrors with asymmetrical inclusion as a load circuit of the input transistors (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 (Uсм), зависящей от погрешности передачи по току (Ki) применяемого токового зеркала. Особенно существенной эта погрешность получается при использовании в качестве токового зеркала простейших, но наиболее высокочастотных схемотехнических решений, для которых Ki≠1.A significant drawback of the known op-amp of 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 (K i ) of the current mirror used. This error is especially significant when using the simplest but most high-frequency circuitry solutions for which K i ≠ 1 as a current mirror.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм, а также его температурного и радиационного дрейфа при использовании в схеме токовых зеркал, имеющих коэффициент передачи по току, не равный единице Ki≠1. Такое значение Ki характерно для многих классических токовых зеркал.The main task 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, содержащем первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого связан с первым 2 токовым выходом первого 1 входного дифференциального каскада, а выход соединен со входом буферного усилителя 5 и источником опорного тока 6, эмиттерный выход первого 4 токового зеркала связан с шиной источника питания 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 8 входной дифференциальный каскад, первый 9 токовый выход которого соединен со входом второго 10 токового зеркала, а второй 11 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 10 токового зеркала и базой дополнительного транзистора 12, эмиттер которого подключен ко второму 3 токовому выходу первого 1 входного дифференциального каскада, а коллектор соединен с шиной источника питания 7.The problem is achieved in that in a differential operational amplifier containing the first 1 input differential stage with the first 2 and second 3 current outputs, the first 4 current mirror, the input of which is connected to the first 2 current output of the first 1 input differential stage, and the output is connected to the input buffer amplifier 5 and a reference current source 6, the emitter output of the first 4 current mirrors is connected to the bus of the power source 7, new elements and connections are provided - the second 8 input differential helmet is introduced into the circuit e, the first 9 current output of which is connected to the input of the second 10 current mirror, and the second 11 current output is connected to the input of the first 4 current mirror and the base of the additional transistor 12, the emitter of which is connected to the second 3 current output of the first 1 of the input differential stage, and the collector is connected to the bus of the power source 7.

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

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».Figure 3 and figure 4 shows a diagram of an op-amp prototype (figure 3) and the claimed op-amp (figure 4) in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На фиг.5 показаны зависимости напряжения смещения прототипа и заявляемой схемы от коэффициента передачи по току Ki токовых зеркал 4 и 10 Ki=Ki12.4=Ki12.10.Figure 5 shows the dependence of the bias voltage of the prototype and the claimed circuit from the current transfer coefficient K i of current mirrors 4 and 10 K i = K i12.4 = K i12.10 .

На фиг.6 приведена температурная зависимость модуля напряжения смещения нуля схемы фиг.4.Figure 6 shows the temperature dependence of the voltage module of the zero bias circuit of figure 4.

Заявляемый дифференциальный операционный усилитель содержит первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого связан с первым 2 токовым выходом первого 1 входного дифференциального каскада, а выход соединен со входом буферного усилителя 5 и источником опорного тока 6, эмиттерный выход первого 4 токового зеркала связан с шиной источника питания 7. В схему введен второй 8 входной дифференциальный каскад, первый 9 токовый выход которого соединен со входом второго 10 токового зеркала, а второй 11 токовый выход связан со входом первого 4 токового зеркала и соединен с выходом второго 10 токового зеркала и базой дополнительного транзистора 12, эмиттер которого подключен ко второму 3 токовому выходу первого 1 входного дифференциального каскада, а коллектор соединен с шиной источника питания 7.The inventive differential operational amplifier contains a first 1 input differential stage with a first 2 and second 3 current outputs, a first 4 current mirror, the input of which is connected to the first 2 current output of the first 1 input differential stage, and the output is connected to the input of the buffer amplifier 5 and the reference current source 6, the emitter output of the first 4 current mirror is connected to the bus of the power source 7. A second 8 input differential stage is introduced into the circuit, the first 9 current output of which is connected to the input of the second 10 current the mirror, and the second 11 current output is connected to the input of the first 4 current mirror and connected to the output of the second 10 current mirror and the base of the additional transistor 12, the emitter of which is connected to the second 3 current output of the first 1 input differential stage, and the collector is connected to the bus of the power source 7 .

Первый 1 и второй 8 входные дифференциальные каскады в схеме фиг.2 реализованы соответственно на транзисторах 13, 14, двухполюснике 15, а также на транзисторах 16, 17 и двухполюснике 18.The first 1 and second 8 input differential stages in the circuit of figure 2 are implemented respectively on transistors 13, 14, two-terminal 15, as well as on transistors 16, 17 and two-terminal 18.

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

Если величины токов двухполюсников 15 и 18 первого 1 и второго 8 входных дифференциальных каскадов равны 2I0, а ток источника опорного тока 6 - величине I0, то токи коллекторов транзисторов 13, 14, 16, 17 первого 1 и второго 8 входных дифференциальных каскадов определяются соотношениями:If the currents of two-terminal circuits 15 and 18 of the first 1 and second 8 input differential stages are 2I 0 , and the current of the reference current source 6 is equal to I 0 , then the collector currents of the transistors 13, 14, 16, 17 of the first 1 and second 8 input differential stages are determined ratios:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Iб.р=I0i - ток базы i-го n-p-n транзистора схемы при токе эмиттера Iэ=I0,where I bp = I 0 / β i is the base current of the i-th npn transistor of the circuit at the emitter current I e = I 0 ,

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

Выходной ток второго 10 токового зеркала определяется какThe output current of the second 10 current mirror is defined as

Figure 00000002
Figure 00000002

где Ip10 - разность токов на выходе и входе второго 10 токового зеркала, зависящая от его схемотехники.where I p10 is the difference of the currents at the output and input of the second 10 current mirrors, depending on its circuitry.

Поэтому на основании закона Кирхгофа в узле A1 выполняется следующее токовое соотношениеTherefore, on the basis of Kirchhoff’s law at node A 1 , the following current relation holds

Figure 00000003
Figure 00000003

Как следствие, токи на входе и выходе первого 4 токового зеркала определяются по формулам:As a result, the currents at the input and output of the first 4 current mirrors are determined by the formulas:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где Ip4 - разность токов на входе и выходе первого 4 токового зеркала, зависящая от его схемотехники.where I p4 is the current difference at the input and output of the first 4 current mirrors, depending on its circuitry.

Так как токовые зеркала 4 и 10 выполнены с использованием идентичных схемотехнических решений, то разность их токов ошибки Iр равна нулю. Поэтому разностный ток I в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину при IБУ≈0 будет равен нулю:Since the current mirrors 4 and 10 are made using identical circuitry solutions, the difference in their error currents I p is zero. Therefore, the differential current I in the node "A" with its short circuit to the equipotential common bus at I BU ≈ 0 will be equal to zero:

Figure 00000006
Figure 00000006

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (6) уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток I в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения uвх в разностный ток узла «А»:Thus, in the inventive device, when condition (6) is fulfilled, the systematic component U cm decreases due to the final value of β transistors and its radiation (or temperature) dependence. As a result, this reduces U cm , since the differential current I 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 differential current of the node “A”:

Figure 00000007
Figure 00000007

где rэ13=rэ14 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 14 первого 1 входного дифференциального каскада.where r e13 = r e14 - the resistance of the emitter junctions of the input transistors 13 and 14 of the first 1 input differential stage.

Поэтому для схемы фиг.2 напряжение смещения нуляTherefore, for the circuit of FIG. 2, a bias voltage of zero

Figure 00000008
Figure 00000008

где φт=26 мВ - температурный потенциал.where φ t = 26 mV is the temperature potential.

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

Компьютерное моделирование схем фиг.3, фиг.4 подтверждает (фиг.5, фиг.6) данные теоретические выводы.Computer simulation of the circuits of figure 3, figure 4 confirms (figure 5, figure 6) these theoretical conclusions.

Несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных и тепловых 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 and thermal effects, the proposed op-amp also has a lower zero bias voltage under these conditions than the op-amp.

В ряде случаев в заявляемом ОУ могут использоваться входы второго 8 входного дифференциального каскада (Вх.(-)3, Вх.(+)4), 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 8 input differential cascade can be used (Vkh. (-) 3, Vkh. (+) 4), 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) А014.3. 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) А21.5. 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)

Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий первый (1) входной дифференциальный каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первое (4) токовое зеркало, вход которого связан с первым (2) токовым выходом первого (1) входного дифференциального каскада, а выход соединен со входом буферного усилителя (5) и источником опорного тока (6), эмиттерный выход первого (4) токового зеркала связан с шиной источника питания (7), отличающийся тем, что в схему введен второй (8) входной дифференциальный каскад, первый (9) токовый выход которого соединен со входом второго (10) токового зеркала, а второй (11) токовый выход связан со входом первого (4) токового зеркала и соединен с выходом второго (10) токового зеркала и базой дополнительного транзистора (12), эмиттер которого подключен ко второму (3) токовому выходу первого (1) входного дифференциального каскада, а коллектор соединен с шиной источника питания (7). A differential operational amplifier with a low zero bias voltage, containing the first (1) input differential stage with the first (2) and second (3) current outputs, the first (4) current mirror, the input of which is connected to the first (2) current output of the first (1 ) of the input differential stage, and the output is connected to the input of the buffer amplifier (5) and the reference current source (6), the emitter output of the first (4) current mirror is connected to the bus of the power source (7), characterized in that the second (8 ) input differential stage, first (9) t whose output is connected to the input of the second (10) current mirror, and the second (11) current output is connected to the input of the first (4) current mirror and connected to the output of the second (10) current mirror and the base of the additional transistor (12), the emitter of which is connected to the second (3) current output of the first (1) input differential stage, and the collector is connected to the bus of the power source (7).
RU2009142660/09A 2009-11-18 2009-11-18 Differential operating amplifier with low zero offset voltage RU2416149C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009142660/09A RU2416149C1 (en) 2009-11-18 2009-11-18 Differential operating amplifier with low zero offset voltage

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009142660/09A RU2416149C1 (en) 2009-11-18 2009-11-18 Differential operating amplifier with low zero offset voltage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2416149C1 true RU2416149C1 (en) 2011-04-10

Family

ID=44052242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009142660/09A RU2416149C1 (en) 2009-11-18 2009-11-18 Differential operating amplifier with low zero offset voltage

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2416149C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2523124C1 (en) * 2013-01-09 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Multi-differential operational amplifier
RU2628131C1 (en) * 2016-03-09 2017-08-15 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Radiation-resistant multidifferential operational amplifier for operation at low temperatures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПОЛОННИКОВ Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.94, рис.3,9. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2523124C1 (en) * 2013-01-09 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Multi-differential operational amplifier
RU2628131C1 (en) * 2016-03-09 2017-08-15 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Radiation-resistant multidifferential operational amplifier for operation at low temperatures

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2416149C1 (en) Differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2412535C1 (en) Differential operating amplifier
RU2390916C1 (en) Precision operational amplifier
RU2416155C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416152C1 (en) Differential operating amplifier
RU2414808C1 (en) Operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2411637C1 (en) Precision operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2412530C1 (en) Complementary differential amplifier
RU2411636C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2416150C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412537C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412540C1 (en) Differential operating amplifier
RU2400925C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416151C1 (en) Differential operating amplifier
RU2390914C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2390921C1 (en) Operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2416154C1 (en) Two-cascade differential amplifier with low supply voltage
RU2402151C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2444119C1 (en) Precision operational amplifier
RU2412539C1 (en) Differential operating amplifier
RU2419198C1 (en) Precision operating amplifier
RU2402155C1 (en) Differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2412533C1 (en) Differential operating amplifier
RU2408975C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2412534C1 (en) Differential operating amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121119