RU2421884C1 - Differential operational amplifier with low zero offset voltage - Google Patents
Differential operational amplifier with low zero offset voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2421884C1 RU2421884C1 RU2010111052/09A RU2010111052A RU2421884C1 RU 2421884 C1 RU2421884 C1 RU 2421884C1 RU 2010111052/09 A RU2010111052/09 A RU 2010111052/09A RU 2010111052 A RU2010111052 A RU 2010111052A RU 2421884 C1 RU2421884 C1 RU 2421884C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- collector
- output
- transistor
- auxiliary
- 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 решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля 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 decision amplifiers with small values of zero bias voltage under the influence of radiation or temperature).
Каскодная архитектура операционных усилителей (ОУ) относится к числу наиболее широкополосных и поэтому часто используется в микроэлектронных устройствах [1-11].The cascode architecture of operational amplifiers (op amps) is among the most broadband and therefore is often used in microelectronic devices [1-11].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому схемотехническому решению является архитектура ОУ фиг.1, представленная в патенте США 5627495, фиг. 1. Она также присутствует в других патентах и литературных источниках.The closest in technical essence to the claimed circuit solution is the architecture of the op amp of FIG. 1, presented in US patent 5627495, FIG. 1. It is also present in other patents and literature.
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 систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), его температурного и радиационного дрейфа.The main objective of the invention is to reduce the systematic component of the bias voltage zero (U cm ), its temperature and radiation drift.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, а эмиттеры через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первым 9 источником питания, эмиттер первого 4 выходного транзистора подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, выход связан с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, второй 12 и третий 13 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с базой первого 3 вспомогательного транзистора, коллектор второго 12 вспомогательного транзистора через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 9 источником питания, коллектор третьего 13 вспомогательного транзистора соединен с выходом устройства 15 и эмиттером входного транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, коллектор которого связан с первым 9 источником питания, причем эмиттеры первого 3, второго 12 и третьего 13 вспомогательных транзисторов связаны со вторым 16 источником питания и общим выводом токового зеркала 10 через четвертый 17, пятый 18 и шестой 19 токостабилизирующие двухполюсники соответственно, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 20, второй 21 и третий 22 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых соединены с базами первого 3, второго 12 и третьего 13 вспомогательных транзисторов, базы подключены к коллектору второго 12 вспомогательного транзистора, коллектор первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 4 выходного транзистора, а коллекторы второго 21 и третьего 22 дополнительных транзисторов соединены с первым 9 источником питания.This goal is achieved in that in the differential operational amplifier of figure 1, containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the collector of the first 3 auxiliary transistors, the first 4 and second 5 output transistors, the bases of which are connected to a
Схема ОУ-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На чертеже фиг.3 показана схема ОУ по п.2 формулы изобретения.The scheme of the op-amp prototype is shown in the drawing of figure 1. The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.4 показана схема операционного усилителя - прототипа, а на чертеже фиг.5 - заявляемого ОУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов фирмы Zarlink.The drawing of Fig. 4 shows a diagram of an operational amplifier - a prototype, and in the drawing of Fig. 5 - of the claimed op-amp of Fig. 3 in the Cadence computer simulation environment on models of integrated transistors of Zarlink company.
На чертеже фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля сравниваемых схем фиг.5, фиг.4. Амплитудно-частотные характеристики ОУ фиг.5 и ОУ фиг.4 приведены на чертеже фиг.7.The drawing of Fig.6 shows the temperature dependence of the zero bias voltage of the compared circuits of Fig.5, Fig.4. The amplitude-frequency characteristics of the
Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых подключены к коллектору первого 3 вспомогательного транзистора, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, а эмиттеры через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники соединены с первым 9 источником питания, эмиттер первого 4 выходного транзистора подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, токовое зеркало 10, вход которого соединен с коллектором первого 4 выходного транзистора, выход связан с коллектором второго 5 выходного транзистора и базой входного транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, второй 12 и третий 13 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с базой первого 3 вспомогательного транзистора, коллектор второго 12 вспомогательного транзистора через третий 14 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 9 источником питания, коллектор третьего 13 вспомогательного транзистора соединен с выходом устройства 15 и эмиттером входного транзистора 11 выходного эмиттерного повторителя, коллектор которого связан с первым 9 источником питания, причем эмиттеры первого 3, второго 12 и третьего 13 вспомогательных транзисторов связаны со вторым 16 источником питания и общим выводом токового зеркала 10 через четвертый 17, пятый 18 и шестой 19 токостабилизирующие двухполюсники соответственно. В схему введен первый 20, второй 21 и третий 22 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых соединены с базами первого 3, второго 12 и третьего 13 вспомогательных транзисторов, базы подключены к коллектору второго 12 вспомогательного транзистора, коллектор первого 20 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 4 выходного транзистора, а коллекторы второго 21 и третьего 22 дополнительных транзисторов соединены с первым 9 источником питания.The differential operational amplifier with a low bias voltage of Fig. 2 contains the first 1 and second 2 input transistors whose emitters are connected to the collector of the first 3 auxiliary transistors, the first 4 and second 5 output transistors, the bases of which are connected to a bias voltage source of 6, and the emitters through the first 7 and second 8 current-stabilizing two-terminal devices are connected to the first 9 power supply, the emitter of the first 4 output transistor is connected to the collector of the first 1 input transistor, and the emitter of the second 5 is output about the transistor is connected to the collector of the second 2 input transistor, the
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен транзистор терморадиационной компенсации 23, эмиттер и база которого соединены со вторым 16 источником питания, а коллектор подключен к эмиттеру второго 5 выходного транзистора.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
На чертеже фиг.4 приведена схема ОУ-прототипа фиг.1, а на чертеже фиг.5 - заявляемого ОУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».In the drawing of Fig. 4, a diagram of an op-amp prototype of Fig. 1 is shown, and in the drawing of Fig. 5, the inventive op-amp of Fig. 3 is used in a Cadence computer simulation environment on models of integrated transistors of the Federal State Unitary Enterprise NPP Pulsar.
Графики фиг.6 характеризуют температурную зависимость напряжения смещения нуля сравниваемых схем.The graphs of Fig.6 characterize the temperature dependence of the zero bias voltage of the compared circuits.
На чертеже фиг.7 показана амплитудно-частотная характеристика ОУ фиг.4 и фиг.5.The drawing of Fig.7 shows the amplitude-frequency characteristic of the op-amp of Fig.4 and Fig.5.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.Consider the operation of the inventive device of figure 2.
Статический режим вспомогательных транзисторов 3, 12 и 13 устанавливается третьим 14 токостабилизирующим двухполюсником, а также двухполюсниками 17, 18 и 19 (например, резисторами). Если сопротивления последних двухполюсников одинаковы, то эмиттерные токи транзисторов 3, 12 и 13 равны некоторой величине I0, а токи баз этих транзисторов одинаковы и соответствуют значению Iб.р, где Iб.р=I0/βp (βр - коэффициент усиления по току базы транзисторов 3, 12 и 13). Как следствие, коллекторные токи дополнительных транзисторов 20, 21 и 22:The static mode of the
а коллекторный ток первого 4 выходного транзистора будет отличаться на величину Iб.р от коллекторного тока второго 5 выходного транзистора:and the collector current of the first 4 output transistor will differ by I bp from the collector current of the second 5 output transistor:
где I0 * - коллекторные токи транзисторов 4 и 5 в схеме ОУ-прототипа (фиг.1).where I 0 * - collector currents of
Таким образом, разностный ток Iр для высокоимпедансного узла «А» схемы фиг.2 при его замыкании на эквипотенциальную общую шину:Thus, the differential current I p for the high-impedance node "A" of the circuit of figure 2 when it is shorted to the equipotential common bus:
где Iвых.10=Ki12Iвх.10=I0 *-Iб.р - выходной ток токового зеркала 10;where I output 10 = K i12 I input 10 = I 0 * -I bp is the output current of the
Iб.11=Iб.р=I0/βp - ток базы транзистора 11;I b.11 = I bp = I 0 / β p - base current of transistor 11;
Ki12=1 - коэффициент усиления по току токового зеркала 10.K i12 = 1 is the current gain of the
Таким образом, в заявляемом устройстве при выполнении условия (4) уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной βр 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) ОУ в выходной ток узла «А». В частном случае для фиг.2:Thus, in the inventive device, when condition (4) is satisfied, the systematic component U cm decreases due to the final value β p of the 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 ) of the op-amp into the output current of the node “A”. In the particular case of figure 2:
где rэ1=rэ2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 1 и 2.where r e1 = r e2 are the resistance of the emitter junctions of the
Поэтому для схемы фиг.2:Therefore, for the circuit of FIG. 2:
где φт=26 мВ - температурный потенциал.where φ t = 26 mV is the temperature potential.
В ОУ-прототипе Iр≠0, поэтому здесь систематическая составляющая Uсм получается на несколько порядков больше (Uсм=-712 мкВ), чем в заявляемой схеме (Uсм=-15,2 нВ).In the OA prototype I p ≠ 0, therefore, here the systematic component U cm is obtained several orders of magnitude more (U cm = -712 μV) than in the claimed circuit (U cm = -15.2 nV).
Для минимизации Uсм при повышенных температурах (t°>80°C) в схеме фиг.3 предусмотрен транзистор терморадиационной компенсации 23, 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 20. 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-radiation compensation transistor 23 is provided in the circuit of FIG. 3, which is in the closed state. However, the current through its pn junction to the substrate, which increases significantly at high temperatures (or due to radiation), compensates for the corresponding current through the pn junction to the substrate of
Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6) данные теоретические выводы. При этом коэффициент усиления по напряжению имеет значение около 100 дБ (фиг.7).Computer simulation of the circuits of Fig. 4, Fig. 5 confirms (Fig. 6) these theoretical conclusions. In this case, the voltage gain has a value of about 100 dB (Fig.7).
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 №5.627.495.1. US patent No. 5.627.495.
2. Патент США №4.274.061.2. US patent No. 4.274.061.
3. Патент США №5.374.897.3. US patent No. 5.374.897.
4. Патент США №6.710.654.4. US Patent No. 6,710.654.
5. Патентная заявка США 2003/0090321, фиг.8.5. Patent application US 2003/0090321, Fig. 8.
6. Патент США №5.734.296, фиг.3.6. US patent No. 5.734.296, Fig.3.
7. Патентная заявка США №2008/0016091, фиг.4.7. US patent application No. 2008/0016091, Fig.4.
8. Патент США №4.463.319.8. US patent No. 4.463.319.
9. Патент США №6.483.382, фиг.2.9. US patent No. 6.483.382, figure 2.
10. Патентная заявка США 2007/0069815.10. US patent application 2007/0069815.
11. Патент США №6.483.382, фиг.1.11. US patent No. 6.483.382, figure 1.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010111052/09A RU2421884C1 (en) | 2010-03-23 | 2010-03-23 | Differential operational amplifier with low zero offset voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010111052/09A RU2421884C1 (en) | 2010-03-23 | 2010-03-23 | Differential operational amplifier with low zero offset voltage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2421884C1 true RU2421884C1 (en) | 2011-06-20 |
Family
ID=44738192
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010111052/09A RU2421884C1 (en) | 2010-03-23 | 2010-03-23 | Differential operational amplifier with low zero offset voltage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2421884C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797566C1 (en) * | 2023-02-27 | 2023-06-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Input cascade of a high-speed differential operational amplifier with nonlinear correction of the transient process |
-
2010
- 2010-03-23 RU RU2010111052/09A patent/RU2421884C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797566C1 (en) * | 2023-02-27 | 2023-06-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Input cascade of a high-speed differential operational amplifier with nonlinear correction of the transient process |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2365969C1 (en) | Current mirror | |
RU2416155C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2421884C1 (en) | Differential operational amplifier with low zero offset voltage | |
RU2416152C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential 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 | |
RU2420863C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2402154C1 (en) | Differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416151C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2390914C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416150C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2412540C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2455758C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2412537C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2411638C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2401507C1 (en) | Buffer amplifier with low zero-shift voltage | |
RU2416154C1 (en) | Two-cascade differential amplifier with low supply voltage | |
RU2592429C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier on basis of "bent" cascode | |
RU2402156C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130324 |