RU2416149C1 - Differential operating amplifier with low zero offset voltage - Google Patents
Differential operating amplifier with low zero offset voltage Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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-
где Iб.р=I0/βi - 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
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
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:
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
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”:
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
Поэтому для схемы фиг.2 напряжение смещения нуляTherefore, for the circuit of FIG. 2, a bias voltage of zero
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)
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)
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 |
-
2009
- 2009-11-18 RU RU2009142660/09A patent/RU2416149C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ПОЛОННИКОВ Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.94, рис.3,9. * |
Cited By (2)
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 |