RU2420863C1 - Differential operational amplifier with low voltage of zero shift - Google Patents
Differential operational amplifier with low voltage of zero shift Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420863C1 RU2420863C1 RU2010112016/09A RU2010112016A RU2420863C1 RU 2420863 C1 RU2420863 C1 RU 2420863C1 RU 2010112016/09 A RU2010112016/09 A RU 2010112016/09A RU 2010112016 A RU2010112016 A RU 2010112016A RU 2420863 C1 RU2420863 C1 RU 2420863C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- collector
- base
- outlet
- output
- 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 аналоговых интерфейсах систем связи, имеющих малые значения напряжения смещения нуля Uсм в условиях воздействия радиации или температуры).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 analog interfaces of communication systems having small values of zero bias voltage U cm under conditions of radiation or temperature).
Архитектура операционных усилителей (ОУ) на основе так называемых «перегнутых» каскодов с неуправляемой активной нагрузкой относится к числу наиболее перспективных для многих применений и поэтому широко используется в микроэлектронных устройствах [1-12]. В таких схемах согласование высокоимпедансного узла «А» (фиг.1) с нагрузкой обеспечивается цепью экстракции выходного сигнала (например, эмиттерным повторителем), входной ток которой оказывает повышенное влияние на величину напряжения смещения нуля ОУ (Uсм) и его температурный и радиационный дрейф.The architecture of operational amplifiers (op amps) based on the so-called “bent” cascodes with uncontrolled active load is one of the most promising for many applications and is therefore widely used in microelectronic devices [1-12]. In such schemes, the coordination of the high-impedance node "A" (Fig. 1) with the load is provided by the extraction circuit of the output signal (for example, an emitter follower), the input current of which has an increased effect on the value of the op-amp bias voltage (U cm ) and its temperature and radiation drift .
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому схемотехническому решению является архитектура ОУ фиг.1, представленная в патенте США 4.293.824, fig.5. Она также присутствует в других патентах и литературных источниках, например [1-12].Closest to the technical nature of the claimed circuit solution is the architecture of the
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 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 properties of its architecture.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения систематической составляющей Uсм, ее температурного и радиационного дрейфа.The main objective of the invention is to reduce the absolute value of the systematic component U cm , its temperature and radiation drift.
Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым 6 источником питания через соответствующие первый 7 и второй 8 токостабилизирующие резисторы и подключены к соответствующим первому 2 и второму 3 токовым выходам входного дифференциального каскада 1, третий 9 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и коллектором второго 5 выходного транзистора, база через первый 10 источник опорного тока связана со вторым 11 источником питания, а коллектор через второй 12 источник опорного тока соединен со вторым 11 источником питания и подключен ко входу цепи экстракции выходного сигнала 13, причем коллектор первого 4 выходного транзистора связан с базой третьего 9 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - цепь экстракции выходного сигнала 13 содержит первый 14 дополнительный транзистор, коллектор которого соединен со вторым 11 источником питания, база является входом цепи экстракции выходного сигнала 13, а эмиттер соединен с выходом устройства и коллектором второго 15 дополнительного транзистора, эмиттер второго 15 дополнительного транзистора через дополнительный резистор 16 соединен с первым 6 источником питания, а его база подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора.This goal is achieved in that in the operational amplifier of figure 1, containing the input differential stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, the first 4 and second 5 output transistors, the emitters of which are connected to the first 6 power source through the corresponding first 7 and second 8 current-stabilizing resistors and connected to the corresponding first 2 and second 3 current outputs of the input differential stage 1, the third 9 output transistor, the emitter of which is connected to the combined bases of the first 4 and second 5 output transi tori and the collector of the second 5 output transistor, the base through the first 10 source of reference current is connected to the second 11 power source, and the collector through the second 12 source of reference current is connected to the second 11 power source and connected to the input of the extraction circuit of the output signal 13, and the collector of the first 4 the output transistor is connected to the base of the third 9 output transistor, new elements and connections are provided - the extraction circuit of the output signal 13 contains the first 14 additional transistor, the collector of which is connected to the second 11 and by a power source, the base is the input of the output signal extraction circuit 13, and the emitter is connected to the output of the device and the collector of the second 15 additional transistor, the emitter of the second 15 additional transistor through the additional resistor 16 is connected to the first 6 power source, and its base is connected to the collector of the first 4 output transistor.
Схема ОУ-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения, а на фиг.3 - по п.2 и п.3 формулы изобретения. Схема фиг.4 соответствует п.4 формулы изобретения.The scheme of the op-amp prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.5 показана схема операционного усилителя - прототипа фиг.1 с таким же выполнением цепи экстракции выходного сигнала 13, что и у предлагаемого ОУ фиг.3, а на фиг.6 - заявляемого ОУ (фиг.3) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».In Fig.5 shows a diagram of an operational amplifier - a prototype of Fig.1 with the same embodiment of the extraction circuit of the
На фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля Uсм сравниваемых схем фиг.5, фиг.6.In Fig.7 shows the temperature dependence of the bias voltage of zero U cm compared circuits of Fig.5, Fig.6.
На фиг.8 показана схема операционного усилителя-прототипа фиг.1, а на чертеже фиг.9 - заявляемого ОУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях других интегральных транзисторов HJW.On Fig shows a diagram of the operational amplifier of the prototype of figure 1, and in the drawing of figure 9 - the claimed op-amp of figure 4 in the environment of computer simulation Cadence on models of other integral HJW transistors.
На фиг.10 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля Uсм сравниваемых схем фиг.8, фиг.9.Figure 10 shows the temperature dependence of the bias voltage of zero U cm compared circuits of Fig.8, Fig.9.
На фиг.11 показаны амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления схем фиг.8 и фиг.9.In Fig.11 shows the amplitude-frequency characteristics of the gain of the circuits of Fig.8 and Fig.9.
Дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым 6 источником питания через соответствующие первый 7 и второй 8 токостабилизирующие резисторы и подключены к соответствующим первому 2 и второму 3 токовым выходам входного дифференциального каскада 1, третий 9 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с объединенными базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и коллектором второго 5 выходного транзистора, база через первый 10 источник опорного тока связана со вторым 11 источником питания, а коллектор через второй 12 источник опорного тока соединен со вторым 11 источником питания и подключен ко входу цепи экстракции выходного сигнала 13, причем коллектор первого 4 выходного транзистора связан с базой третьего 9 выходного транзистора. Цепь экстракции выходного сигнала 13 содержит первый 14 дополнительный транзистор, коллектор которого соединен со вторым 11 источником питания, база является входом цепи экстракции выходного сигнала 13, а эмиттер соединен с выходом устройства и коллектором второго 15 дополнительного транзистора, эмиттер второго 15 дополнительного транзистора через дополнительный двухполюсник 16 соединен с первым 6 источником питания, а его база подключена к коллектору первого 4 выходного транзистора.The differential operational amplifier of figure 2 contains an input
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 17, эмиттер которого соединен с его базой и базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а коллектор связан с базой третьего 9 выходного транзистора.In Fig. 3, in accordance with
Кроме этого, на фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, дополнительный двухполюсник 16 содержит последовательно включенные резисторы 18 и прямосмещенный p-n переход 19.In addition, in figure 3, in accordance with
На фиг.4, в соответствии с п.4 формулы изобретения, коллектор первого 4 выходного транзистора связан с базой третьего 9 выходного транзистора через вспомогательный p-n переход 20. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на входных транзисторах 21 и 22, а также источнике тока 23.In Fig. 4, in accordance with
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля Uсм в схеме фиг.4, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.Consider the factors determining the systematic component of the bias voltage of zero U cm in the circuit of figure 4, i.e. circuit-dependent op amps.
Если выходные токи первого 2 (I2) и второго 3 (I3) токовых выходов входного дифференциального каскада 1, а также токи двухполюсников 10 и 12 равны величине I0, то токи эмиттеров Iэi и коллекторов Iкi транзисторов 4, 5, 9 и вспомогательного p-n перехода (I20) и двухполюсников 7 (Iэ) и 8 (I8) определяются соотношениями:If the output currents of the first 2 (I 2 ) and second 3 (I 3 ) current outputs of the input
где Iб.р=Iэ.i/βi - ток базы n-p-n транзисторов 4, 5, 9, 14, 15 при эмиттерном токе Iэ.i=I0;where I bp = I e.i / β i is the base current of
βi - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов при токе эмиттера Iэ=I0.β i is the current gain of the base of npn transistors at the emitter current I e = I 0 .
Как следствие, разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шинуAs a result, the current difference in node “A” when it is short-circuited to an equipotential common bus
где Iб.14=2Iб.р - ток базы транзистора 14.where I b.14 = 2I bp is the base current of the
Подставляя (1)÷(10) в (11), находим, что в схеме фиг.4 разностный ток Iр, определяющий Uсм операционного усилителя,Substituting (1) ÷ (10) in (11), we find that in the circuit of Fig. 4, the differential current I p , which determines U cm of the operational amplifier,
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (10) уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью. Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Ip в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны S преобразования входного дифференциального напряжения (uвх) ОУ в выходной ток узла «А». В частном случае для фиг.4:Thus, in the inventive device, when condition (10) 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 difference 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 ) of the op-amp into the output current of the node “A”. In the particular case of figure 4:
где rэ21= rэ22 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 21 и 22 входного дифференциального каскада 1 при его построении по классической параллельно-балансной схеме (фиг.4).where r e21 = r e22 are the resistance of the emitter junctions of the
Поэтому для схемы фиг.4Therefore, for the circuit of FIG. 4
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 более чем в 100 раз больше (Uсм=-8,9 мВ), чем в заявляемой схеме (Uсм=-23,4 мкВ).In the op-amp prototype I p ≠ 0, therefore, here the systematic component U cm is obtained more than 100 times more (U cm = -8.9 mV) than in the claimed circuit (U cm = -23.4 μV).
Компьютерное моделирование схем фиг.5, фиг.6 на моделях транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» подтверждает (фиг.7) данные теоретические выводы.Computer simulation of the circuits of Fig.5, Fig.6 on the models of transistors of FSUE NPP Pulsar confirms (Fig.7) these theoretical conclusions.
Для минимизации Uсм при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.3 предусмотрен транзистор терморадиационной компенсации 17, который находится в закрытом состоянии. Однако ток через его p-n переход на подложку, который существенно возрастает на высоких температурах (или при радиационных воздействиях), компенсирует соответствующий ток через p-n переход на подложку транзистора 5. Это уменьшает производную dUсм/dT и абсолютные значения Uсм при t°>80°С.To minimize U cm at elevated temperatures (t °> 80 ° C), a thermo-
Аналогичные, но более высокие результаты по величине Uсм получаются при построении ОУ на интегральных транзисторах с моделями HJW фирмы Zarlink (фиг.8, фиг.9). Анализ графиков фиг.10 показывает, что в рабочем диапазоне температур -60°С÷+80°С Uсм заявляемого ОУ изменяется на 1,5 мкВ, что соответствует температурному дрейфу Uсм на 0,01 мкВ/°C. При этом коэффициент усиления по напряжению ОУ превышает 100 дБ (фиг.11).Similar, but higher results in terms of U cm are obtained when constructing an op-amp with integrated transistors with HJW models from Zarlink (Fig. 8, Fig. 9). Analysis of the graphs of figure 10 shows that in the operating temperature range of -60 ° C ÷ + 80 ° C U cm of the claimed op-amp changes by 1.5 μV, which corresponds to a temperature drift of U cm by 0.01 μV / ° C. In this case, the gain in the voltage of the op-amp exceeds 100 dB (Fig. 11).
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.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патент США №5.422.600.1. US Patent No. 5,422,600.
2. Патент США №4.644.295.2. US Patent No. 4,644.295.
3. Патент США №5.734.296.3. US Patent No. 5,734.296.
4. Патент США №5.420.540.4. US Patent No. 5,420.540.
5. Патент США №5.952.882.5. US patent No. 5.952.882.
6. Патент США №6.542.030.6. US patent No. 6.542.030.
7. Патент США №6.456.162.7. US patent No. 6.456.162.
8. Патент США №4.293.824.8. US Patent No. 4,293.824.
9. Патент США №6.456.163.9. US patent No. 6.456.163.
10. Патент США №6.501.333.10. US patent No. 6.501.333.
11. Патент Англии №2.035.003 кл. Н3Т.11. Patent of England No. 2.035.003 class. H3T.
12. Патент Японии JP 2010-28173.12. Japan Patent JP 2010-28173.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010112016/09A RU2420863C1 (en) | 2010-03-29 | 2010-03-29 | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010112016/09A RU2420863C1 (en) | 2010-03-29 | 2010-03-29 | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2420863C1 true RU2420863C1 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=44736808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010112016/09A RU2420863C1 (en) | 2010-03-29 | 2010-03-29 | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2420863C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480810C1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Source of reference voltage of negative polarity |
-
2010
- 2010-03-29 RU RU2010112016/09A patent/RU2420863C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480810C1 (en) * | 2012-02-15 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Source of reference voltage of negative polarity |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2420863C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416155C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2419196C1 (en) | Broad-band differential amplifier | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2396698C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2416152C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2402154C1 (en) | Differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416150C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2419198C1 (en) | Precision operating amplifier | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2412537C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2416151C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2390921C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2421894C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2421884C1 (en) | Differential operational amplifier with low zero offset voltage | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2394360C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input resistance | |
RU2444119C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2390914C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2402870C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416154C1 (en) | Two-cascade differential amplifier with low supply voltage | |
RU2412532C1 (en) | Differential operating amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130330 |