RU2416155C1 - Differential operating amplifier - Google Patents

Differential operating amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2416155C1
RU2416155C1 RU2009133164/09A RU2009133164A RU2416155C1 RU 2416155 C1 RU2416155 C1 RU 2416155C1 RU 2009133164/09 A RU2009133164/09 A RU 2009133164/09A RU 2009133164 A RU2009133164 A RU 2009133164A RU 2416155 C1 RU2416155 C1 RU 2416155C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
output
input
transistor
emitter
Prior art date
Application number
RU2009133164/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко (RU)
Николай Николаевич Прокопенко
Александр Игоревич Серебряков (RU)
Александр Игоревич Серебряков
Михаил Сергеевич Цыбин (RU)
Михаил Сергеевич Цыбин
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 RU2009133164/09A priority Critical patent/RU2416155C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2416155C1 publication Critical patent/RU2416155C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: differential operating amplifier includes input differential cascade (DC) (1) with the first (2) and the second (3) current outputs; current mirror (4) the input of which is connected to the first (2) current output of input DC (1), and output is connected to the base of input transistor (5) of output buffer amplifier (BA) (6), and the first (7) current-stabilising bipole (CB). To the diagram there introduced is the first (8) and the second (9) additional transistors, as well as the second CB (10); at that, collector of the second (9) additional transistor is connected to output of current mirror (4), base is connected to emitter of input transistor (5) of BA (6), as well as to output of device and the second CB (10), emitter of the first (8) additional transistor is connected to the first CB (7), collector is connected to emitter of the second (9) additional transistor, and base of the second (8) additional transistor is connected to potential offset circuit (11).
EFFECT: decreasing absolute Uoffset value and its temperature and radiation drift.
3 cl, 7 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 прецизионных 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 precision decision amplifiers with small values of 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 активной нагрузкой, обеспечивающей непосредственное управление двухтактным буферным усилителем. Такие ОУ имеют одноканальную структуру передачи сигнала по цепи 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 active load providing direct control of a push-pull buffer amplifier. Such op-amps have a single-channel structure of signal transmission along the negative feedback circuit and are characterized by lower phase distortion 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 a 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№4.366.442 fig.2, которая также присутствует в большом числе других патентов, например, [1-11], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов управляемые токовые зеркала. В рамках такой архитектуры возможно построение простейших ОУ, обеспечивающих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжениям источников питания.The closest in essence to the claimed technical solution is the classical OS scheme (Fig. 1), presented in US patent No. 4.366.442 fig.2, which is also present in a large number of other patents, for example, [1-11], having as load circuits of input transistors controlled current mirrors. Within the framework of such an architecture, it is possible to construct the simplest op-amps providing the maximum amplitude of the output voltage close to the voltages of the power sources.

Существенный недостаток известного ОУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), зависящей от свойств его архитектуры.A significant drawback 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 properties of its architecture.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм и его температурного и радиационного дрейфа.The main objective of the invention is to reduce the absolute value of U cm and its temperature and radiation drift.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход подключен к базе входного транзистора 5 выходного буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 8 и второй 9 дополнительные транзисторы, а также второй 10 токостабилизирующий двухполюсник, причем коллектор второго 9 дополнительного транзистора соединен с выходом токового зеркала 4, база соединена с эмиттером входного транзистора 5 буферного усилителя 6, а также с выходом устройства и вторым 10 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого 8 дополнительного транзистора соединен с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к эмиттеру второго 9 дополнительного транзистора, а база второго 8 дополнительного транзистора связана с цепью смещения потенциалов 11.The problem is achieved in that in the differential operational amplifier (Fig. 1), containing the input differential stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, the current mirror 4, the input of which is connected to the first 2 current output of the input differential stage 1, the output is connected to the base of the input transistor 5 of the output buffer amplifier 6, the first 7 current-stabilizing two-terminal network, new elements and connections are provided - the first 8 and second 9 additional transistors, as well as the second 10 current-stabilizing two a terminal, the collector of the second 9 additional transistor connected to the output of the current mirror 4, the base connected to the emitter of the input transistor 5 of the buffer amplifier 6, as well as the output of the device and the second 10 current-stabilizing two-terminal, the emitter of the first 8 additional transistor connected to the first 7 current-stabilizing two-terminal, collector connected to the emitter of the second 9 additional transistor, and the base of the second 8 additional transistor is connected to the potential bias circuit 11.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims.

На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2, а на фиг.4 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.Figure 3 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 2, and figure 4 - in accordance with claim 3 of the claims.

На фиг.5 и фиг.6 показаны схемы дифференциального ОУ-прототипа (фиг.5) и заявляемого ОУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».In Fig.5 and Fig.6 shows a diagram of a differential op-amp prototype (Fig.5) and the claimed opamp (Fig.6) in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.5 и фиг.6.In Fig.7 shows the temperature dependence of the bias voltage zero of the compared circuits of Fig.5 and Fig.6.

Дифференциальный операционный усилитель (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, токовое зеркало 4, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход подключен к базе входного транзистора 5 выходного буферного усилителя 6, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник. В схему введен первый 8 и второй 9 дополнительные транзисторы, а также второй 10 токостабилизирующий двухполюсник, причем коллектор второго 9 дополнительного транзистора соединен с выходом токового зеркала 4, база соединена с эмиттером входного транзистора 5 буферного усилителя 6, а также выходом устройства и вторым 10 токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого 8 дополнительного транзистора соединен с первым 7 токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к эмиттеру второго 9 дополнительного транзистора, а база второго 8 дополнительного транзистора связана с цепью смещения потенциалов 11. Входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 12, 13 и двухполюснике 14.The differential operational amplifier (figure 2) contains the input differential stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, a current mirror 4, the input of which is connected to the first 2 current output of the input differential stage 1, the output is connected to the base of the input transistor 5 of the output buffer amplifier 6 , the first 7 current-stabilizing two-terminal network. The first 8 and second 9 additional transistors are introduced into the circuit, as well as the second 10 current-stabilizing bipolar, the collector of the second 9 additional transistor connected to the output of the current mirror 4, the base connected to the emitter of the input transistor 5 of the buffer amplifier 6, as well as the output of the device and the second 10 current-stabilizing bipolar, the emitter of the first 8 additional transistor is connected to the first 7 current-stabilizing bipolar, the collector is connected to the emitter of the second 9 additional transistor, and the base of the second 8 additional transistor is connected to the potential bias circuit 11. The input differential stage 1 is made on transistors 12, 13 and two-terminal 14.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве цепи смещения потенциалов 11 используется дополнительный p-n-переход 15, включенный между выходом устройства и вторым 10 токостабилизирующим двухполюсником.In Fig. 3, in accordance with claim 2, an additional pn junction 15 connected between the output of the device and the second 10 current-stabilizing two-terminal device is used as potential bias circuit 11.

На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 8 дополнительный транзистор содержит основной и дополнительный коллекторы, причем основной коллектор соединен с эмиттером второго 9 дополнительного транзистора, а дополнительный коллектор подключен к эмиттеру входного 5 транзистора буферного усилителя 6.In Fig. 4, in accordance with claim 3, the first 8 additional transistor contains the main and additional collectors, the main collector connected to the emitter of the second 9 additional transistor, and the additional collector connected to the emitter of the input 5 of the transistor buffer amplifier 6.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля Uсм в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ДУ.Consider the factors that determine the systematic component of the bias voltage of zero U cm in the circuit of figure 2, i.e. depending on the circuitry of the remote control.

Если ток двухполюсника 14 равен величине 2I0, а двухполюсников 7 и 10 - величине I0 (I7=I10=I0), то токи коллекторов транзисторов схемы:If the current of the two-terminal 14 is equal to 2I 0 , and the two-terminal 7 and 10 to the value I 0 (I 7 = I 10 = I 0 ), then the collector currents of the transistors of the circuit:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где Iб.р=Iэ.ii - ток базы n-p-n (Iб.р) транзисторов при эмиттерном токе Iэ.i=I0;where I b.p. = I e.i / β i is the base current of npn (I b.p. ) transistors with an emitter current I e.i = I 0 ;

βi - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов;β i is the current gain of the base of npn transistors;

Iвх.4=Iвых.4 - входной и выходной токи токового зеркала 4.I input 4 = I output 4 - input and output currents of the current mirror 4.

С учетом (1)-(6) можно найти разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину:Taking into account (1) - (6), it is possible to find the current difference in the node “A” during its short circuit to the equipotential common bus:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Iб.5=Iб.р - ток базы n-p-n транзистора 5.where I b.5 = I b.r - base current npn of the transistor 5.

Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (7) уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Iр в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения uвх в выходной ток узла «А»:Thus, in the inventive device, when condition (7) is satisfied, 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 p 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”:

Figure 00000008
Figure 00000008

где rэ13=rэ12 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 12 входного дифференциального каскада 1.where r e13 = r e12 - resistance of the emitter junctions of the input transistors 13 and 12 of the input differential stage 1.

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

Figure 00000009
Figure 00000009

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

В ОУ-прототипе Ip≠0, поэтому здесь систематическая составляющая Uсм получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме (фиг.5, фиг.6).In the op-amp prototype I p ≠ 0, therefore, here the systematic component U cm is obtained at least an order of magnitude more than in the claimed scheme (Fig. 5, Fig. 6).

Компьютерное моделирование схем фиг.5 и фиг.6 подтверждает (фиг.7) данные теоретические выводы.Computer simulation of the circuits of Fig.5 and Fig.6 confirms (Fig.7) these theoretical conclusions.

Кроме этого несмотря на существенное уменьшение β транзисторов вследствие радиационных воздействий предлагаемый ОУ имеет в этих условиях меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип.In addition, despite a significant decrease in β transistors due to radiation exposure, the proposed op-amp has under these conditions a lower bias voltage than the op-amp.

В схеме фиг.3, соответствующей п.2 формулы изобретения, статический режим по цепи базы транзистора 8 устанавливается p-n-переходом 15 и двухполюсником 10.In the circuit of figure 3, corresponding to claim 2 of the claims, the static mode along the base circuit of the transistor 8 is set by the p-n junction 15 and the two-terminal 10.

Особенность схемы фиг.4 состоит в том, что здесь статический режим транзистора 5 устанавливается не только двухполюсником 10, но и дополнительным коллектором транзистора 8. Это повышает стабильность нуля при нестабильностях токов I14=2I0 и Iэ=2I0 The peculiarity of the circuit of Fig. 4 is that here the static mode of the transistor 5 is set not only by a two-terminal 10, but also by an additional collector of the transistor 8. This increases the stability of zero with current instabilities I 14 = 2I 0 and I e = 2I 0

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока.Thus, the claimed device has significant advantages in comparison with the prototype in terms of the value of the static error of amplification of DC signals.

ЛитератураLiterature

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 C. 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 (3)

1. Дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, токовое зеркало, вход которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, выход подключен к базе входного транзистора выходного буферного усилителя, первый токостабилизирующий двухполюсник, отличающийся тем, что в схему введен первый и второй дополнительные транзисторы, а также второй токостабилизирующий двухполюсник, причем коллектор второго дополнительного транзистора соединен с выходом токового зеркала, база соединена с эмиттером входного транзистора буферного усилителя, а также выходом устройства и вторым токостабилизирующим двухполюсником, эмиттер первого дополнительного транзистора соединен с первым токостабилизирующим двухполюсником, коллектор подключен к эмиттеру второго дополнительного транзистора, а база второго дополнительного транзистора связана с цепью смещения потенциалов.1. A differential operational amplifier containing an input differential stage with first and second current outputs, a current mirror, the input of which is connected to the first current output of the input differential stage, the output is connected to the base of the input transistor of the output buffer amplifier, the first current-stabilizing two-terminal device, characterized in that the circuit introduced the first and second additional transistors, as well as the second current-stabilizing two-terminal network, and the collector of the second additional transistor is connected to by the output of the current mirror, the base is connected to the emitter of the input transistor of the buffer amplifier, as well as the output of the device and the second current-stabilizing two-terminal, the emitter of the first additional transistor is connected to the first current-stabilizing two-terminal, the collector is connected to the emitter of the second additional transistor, and the base of the second additional transistor is connected to the potential bias circuit . 2. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве цепи смещения потенциалов (11) используется дополнительный p-n переход (15), включенный между выходом устройства и вторым (10) токостабилизирующим двухполюсником.2. The differential operational amplifier according to claim 1, characterized in that an additional pn junction (15) is used as the potential bias circuit (11), connected between the output of the device and the second (10) current-stabilizing two-terminal device. 3. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый дополнительный транзистор содержит основной и дополнительный коллекторы, причем основной коллектор соединен с эмиттером второго дополнительного транзистора, а дополнительный коллектор подключен к эмиттеру входного транзистора буферного усилителя. 3. The differential operational amplifier according to claim 1, characterized in that the first additional transistor contains a primary and secondary collectors, the primary collector connected to the emitter of the second additional transistor, and the secondary collector connected to the emitter of the input transistor of the buffer amplifier.
RU2009133164/09A 2009-09-03 2009-09-03 Differential operating amplifier RU2416155C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009133164/09A RU2416155C1 (en) 2009-09-03 2009-09-03 Differential operating amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009133164/09A RU2416155C1 (en) 2009-09-03 2009-09-03 Differential operating amplifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2416155C1 true RU2416155C1 (en) 2011-04-10

Family

ID=44052248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009133164/09A RU2416155C1 (en) 2009-09-03 2009-09-03 Differential operating amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2416155C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2615068C1 (en) * 2015-12-15 2017-04-03 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Bipolar-field differential operational amplifier
RU2621289C1 (en) * 2015-12-17 2017-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Two-stage differential operational amplifier with higher gain
RU2621287C2 (en) * 2015-11-19 2017-06-01 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Multidifferential operational amplifier

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2621287C2 (en) * 2015-11-19 2017-06-01 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Multidifferential operational amplifier
RU2615068C1 (en) * 2015-12-15 2017-04-03 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Bipolar-field differential operational amplifier
RU2621289C1 (en) * 2015-12-17 2017-06-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Two-stage differential operational amplifier with higher gain

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2365969C1 (en) Current mirror
RU2416155C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412535C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412537C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416152C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416149C1 (en) Differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2412540C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416150C1 (en) Differential operating amplifier
RU2411636C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2411637C1 (en) Precision operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2412539C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412533C1 (en) Differential operating amplifier
RU2433523C1 (en) Precision differential operational amplifier
RU2412530C1 (en) Complementary differential amplifier
RU2416151C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412538C1 (en) Differential operating amplifier
RU2412532C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416154C1 (en) Two-cascade differential amplifier with low supply voltage
RU2400925C1 (en) Differential operating amplifier
RU2416153C1 (en) Differential operating amplifier
RU2420863C1 (en) Differential operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2419198C1 (en) Precision operating amplifier
RU2412534C1 (en) Differential operating amplifier
RU2432666C1 (en) Differential operational amplifier with low supply voltage
RU2568318C1 (en) Multidifferential operating amplifier with low zero offset voltage

Legal Events

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

Effective date: 20130904