RU2433523C1 - Precision differential operational amplifier - Google Patents
Precision differential operational amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2433523C1 RU2433523C1 RU2010119727/08A RU2010119727A RU2433523C1 RU 2433523 C1 RU2433523 C1 RU 2433523C1 RU 2010119727/08 A RU2010119727/08 A RU 2010119727/08A RU 2010119727 A RU2010119727 A RU 2010119727A RU 2433523 C1 RU2433523 C1 RU 2433523C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor
- collector
- bus
- input
- 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, прецизионных операционных усилителях, стабилизаторах напряжения, компараторах).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, precision operational amplifiers, voltage stabilizers, comparators).
В современной микроэлектронике широко применяются двухкаскадные дифференциальные операционные усилители (ДУ) с несимметричным включением активной нагрузки во входном каскаде, при котором нагрузкой одного из входных транзисторов является транзисторный источник опорного тока, а нагрузка второго входного транзистора - отсутствует [1-8]. Такая архитектура имеет ряд преимуществ по динамическим параметрам в сравнении с ДУ на основе классических управляемых токовых зеркал. Однако существенный недостаток таких ДУ - повышенный уровень систематической составляющей напряжения смещения нуля (Ucм) из-за несимметрии архитектуры, а также невысокий коэффициент ослабления помехи по питанию (Кос.п) и коэффициент ослабления входных синфазных напряжений (Коc.сф).In modern microelectronics, two-stage differential operational amplifiers (ДУ) are widely used with asymmetric inclusion of the active load in the input stage, in which the load of one of the input transistors is the transistor reference current source, and the load of the second input transistor is absent [1-8]. Such an architecture has a number of advantages in terms of dynamic parameters in comparison with the remote control based on classic controllable current mirrors. However, a significant drawback of such DEs is the increased level of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ) due to the asymmetry of the architecture, as well as the low power-supply noise reduction coefficient (K OS ) and the attenuation coefficient of input common-mode voltages (K oc.sf ).
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является ДУ по патенту США №6531920, fig.5. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с выходом источника опорного тока 3, связанного также с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого через первый 6 вспомогательный резистор связан со второй 7 шиной источника питания, база подключена к источнику напряжения смещения 8, а коллектор соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, выходной 9 транзистор, база которого соединена с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор связан со второй 7 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства и через токостабилизирующий двухполюсник 10 связан с первой 4 шиной источника питания.The closest prototype of the claimed device is the remote control of US patent No. 6531920, fig.5. It contains the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the output of the reference
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (Ucм), т.е. составляющей, зависящей от схемотехники ДУ, а также невысокие значения Кос.п и Кос.сф.A significant drawback of the known DE is that it has an increased value of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ), i.e. a component that depends on the remote control circuitry, as well as low values of K OS.P and K OS.SF.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении Ucм и повышении Кос.п и Кос.сф.The main objective of the proposed invention is to reduce U cm and increase K OS.P and K OS.F.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с выходом источника опорного тока 3, связанного также с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого через первый 6 вспомогательный резистор связан со второй 7 шиной источника питания, база подключена к источнику напряжения смещения 8, а коллектор соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, выходной 9 транзистор, база которого соединена с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор связан со второй 7 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства и через токостабилизирующий двухполюсник 10 связан с первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - источник опорного тока 3 содержит первое 11 и второе 12 токовые зеркала, выходы которых объединены и являются выходом источника опорного тока 3, вход первого 11 токового зеркала соединен с коллектором первого 13 дополнительного транзистора, вход второго 12 токового зеркала соединен с коллектором второго 14 дополнительного транзистора, базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов соединены с базой первого 5 вспомогательного транзистора, а их эмиттеры через соответствующие первый 15 и второй 16 дополнительные резисторы подключены ко второй 7 шине источника питания.The problem is solved in that in the differential amplifier of figure 1, containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the output of the reference
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.The amplifier circuit of the 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.3 приведена схема источника опорного тока 3 в заявляемом ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.The drawing of figure 3 shows a diagram of a reference
На чертеже фиг.4 приведена схема заявляемого ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения, а также специальном (по п.3 формулы изобретения) подключении коллектора первого 1 входного транзистора к эмиттеру согласующего транзистора 21.The drawing of figure 4 shows a diagram of the claimed remote control in accordance with
На чертеже фиг.5 показана обобщенная схема ДУ-прототипа (прототип №1) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.6 - модифицированного ДУ-прототипа по патенту США №6531920, fig.5.The drawing of figure 5 shows a generalized diagram of the remote control prototype (prototype No. 1) in the computer simulation environment PSpice on the models of integrated transistors of the Federal State Unitary Enterprise NPP Pulsar, and the drawing of figure 6 shows a modified remote control prototype according to US patent No. 6531920, fig. 5.
На чертеже фиг.7 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».The drawing of Fig.7 shows a diagram of the inventive device of Fig.2 in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.
На чертеже фиг.8 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля Ucм трех сравниваемых схем ДУ фиг.7, фиг.6 и фиг.5.The drawing of Fig. 8 shows the temperature dependence of the zero bias voltage U cm of the three compared control circuits of Fig. 7, Fig. 6 and Fig. 5.
Прецизионный дифференциальный операционный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с выходом источника опорного тока 3, связанного также с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого через первый 6 вспомогательный резистор связан со второй 7 шиной источника питания, база подключена к источнику напряжения смещения 8, а коллектор соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, выходной 9 транзистор, база которого соединена с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор связан со второй 7 шиной источника питания, а эмиттер соединен с выходом устройства и через токостабилизирующий двухполюсник 10 связан с первой 4 шиной источника питания. Источник опорного тока 3 содержит первое 11 и второе 12 токовые зеркала, выходы которых объединены и являются выходом источника опорного тока 3, вход первого 11 токового зеркала соединен с коллектором первого 13 дополнительного транзистора, вход второго 12 токового зеркала соединен с коллектором второго 14 дополнительного транзистора, базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов соединены с базой первого 5 вспомогательного транзистора, а их эмиттеры через соответствующие первый 15 и второй 16 дополнительные резисторы подключены ко второй 7 шине источника питания.The precision differential operational amplifier of figure 2 contains the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the output of the reference
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, каждое первое 11 и второе 12 токовые зеркала идентичны и содержат выходной транзистор 17, коллектор которого является выходом токового зеркала, а база - его входом, входной транзистор 18, коллектор которого соединен с базой выходного транзистора 17, эмиттер связан с первой 4 шиной источника питания, а база подключена к эмиттеру выходного транзистора 17 и через дополнительный p-n переход 19 соединена с первой 4 шиной источника питания.In the drawing of FIG. 3, in accordance with
Кроме этого на чертеже фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 7 шиной источника питания через источник опорного тока 20 и соединен с эмиттером согласующего транзистора 21, база которого подключена к эмиттеру выходного транзистора 9, а коллектор соединен с первой 4 шиной источника питания.In addition, in the drawing of FIG. 4, in accordance with
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.Consider the operation of the remote control of figure 2.
Статический режим прецизионного ОУ фиг.2 устанавливается напряжением источника смещения U8 и резисторами 15, 16, 6, которые должны быть идентичны. Поэтому коллекторные токи транзисторов 13, 14, 5 одинаковы и равны величине I0 (например, 0,5 мА или 1 мА).The static mode of the precision op amp of FIG. 2 is set by the voltage of the bias source U 8 and
В качестве идентичных токовых зеркал 11 и 12 рекомендуется использовать хорошо известные схемы Вильсона (фиг.3), которые обладают высокой точностью передачи входного тока на выход (Ki12=-1), а также предельными значениями выходного сопротивления (Rвых), близкого к сопротивлению закрытого коллекторного перехода применяемых транзисторов.As identical
Авторам пока не известны другие варианты построения токовых зеркал 11 и 12, обладающих данной совокупностью параметров. Простейшие токовые зеркала имеют либо низкое выходное сопротивление Rвых=20·30 кОм, либо большую погрешность передачи входного тока на его выход, либо первый и второй недостаток одновременно. Однако дальнейшее развитие микросхемотехники позволит, в принципе, применять и другие новые токовые зеркала в качестве функциональных узлов 11 и 12.The authors are not yet aware of other options for constructing
При рассматриваемых допущениях коллекторные и базовые токи транзисторов схемы фиг.2 принимают следующие значения:Under the assumptions considered, the collector and base currents of the transistors of the circuit of figure 2 take the following values:
где Iбi - ток базы i-ro транзистора;where I bi is the base current of the i-ro transistor;
β - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов схемы при Iэ=I0.β is the current gain of the base npn of the transistors of the circuit at I e = I 0 .
Как следствие, в узле «А» происходит полная взаимная компенсация всех токов, сходящихся в этом узле при uвх=0As a result, in node "A" there is a complete mutual compensation of all currents converging in this node with u in = 0
Как следствие, систематическая составляющая напряжения смещения нуля Ucм ДУ фиг.2 близка к нулю.As a result, the systematic component of the zero bias voltage U cm ДУ of Fig. 2 is close to zero.
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг.8 ДУ фиг.5, фиг.6 и фиг.7 - предлагаемая схема фиг.7 имеет систематическую составляющую Uсм≈0,8 мкВ и малый температурный дрейф Uсм в то время как известные устройства фиг.5 и фиг.6 характеризуются повышенными уровнями Uсм=3,8÷4,8 мВ.These conclusions are confirmed by the results of computer simulation of FIG. 8; FIG. 5, FIG. 6 and FIG. 7 - the proposed circuit of FIG. 7 has a systematic component U cm ≈0.8 μV and a small temperature drift U cm while the known devices of FIG. .5 and 6 are characterized by elevated levels of U cm = 3.8 ÷ 4.8 mV.
При изменении напряжения питания токи коллекторов транзисторов 5, 14, 13, 2 изменяются одинаково на величину iп и, следовательно, в узле «А» происходит взаимная компенсация равных приращений iк5=iп и iк2=iп.Это является необходимым условием повышения коэффициента ослабления помехи по питанию ДУ фиг.2.When the supply voltage changes the currents of the collectors of
Увеличение коэффициента ослабления входных синфазных напряжений ДУ фиг.2 обеспечивается применением токовых зеркал фиг.3, которые имеют повышенное сопротивление.The increase in the attenuation coefficient of the input common-mode voltages of the remote control of FIG. 2 is provided by the use of current mirrors of FIG. 3, which have an increased resistance.
В схеме ДУ фиг.4 по п.3 формулы изобретения реализуются предельные значения коэффициента усиления по напряжению в режиме повторителя сигналов.In the remote control circuit of FIG. 4 according to
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом.Thus, the claimed device has significant advantages compared to the prototype.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патент США №6531920.1. US patent No. 6531920.
2. Патентная заявка SU №2007/0152753, fig.5c.2. Patent application SU No. 2007/0152753, fig.5c.
3. Патент США №6396346.3. US Patent No. 6396346.
4. Патентная заявка SU №2008/0129384, fig.5.4. Patent application SU No. 2008/0129384, fig. 5.
5. Патент Японии JP 51-112253.5. Japanese Patent JP 51-112253.
6. Патент США №5075636, fig.1.6. US Patent No. 5075636, fig. 1.
7. Патент СА 02072436, fig.2.7. Patent CA 02072436, fig. 2.
8. Патент США №5262688, fig.3.8. US Patent No. 5262688, fig. 3.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010119727/08A RU2433523C1 (en) | 2010-05-17 | 2010-05-17 | Precision differential operational amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010119727/08A RU2433523C1 (en) | 2010-05-17 | 2010-05-17 | Precision differential operational amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2433523C1 true RU2433523C1 (en) | 2011-11-10 |
Family
ID=44997373
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010119727/08A RU2433523C1 (en) | 2010-05-17 | 2010-05-17 | Precision differential operational amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2433523C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2568384C1 (en) * | 2014-11-26 | 2015-11-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Precision operational amplifier based on radiation resistant bipolar and field process |
RU2615070C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-04-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | High-precision two-stage differential operational amplifier |
-
2010
- 2010-05-17 RU RU2010119727/08A patent/RU2433523C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2568384C1 (en) * | 2014-11-26 | 2015-11-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Precision operational amplifier based on radiation resistant bipolar and field process |
RU2615070C1 (en) * | 2015-12-22 | 2017-04-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | High-precision two-stage differential operational amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2433523C1 (en) | Precision differential operational amplifier | |
JP2011254408A (en) | Power amplifier module and portable information terminal | |
RU2412535C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2354041C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2416155C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2710846C1 (en) | Composite transistor based on complementary field-effect transistors with control p-n junction | |
RU2536376C1 (en) | Operational amplifier with paraphase output | |
RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2412530C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2621289C1 (en) | Two-stage differential operational amplifier with higher gain | |
RU2293433C1 (en) | Differential amplifier with increased weakening of input cophased signal | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2319288C1 (en) | Differential amplifier using low-voltage power supply | |
RU2416150C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2444119C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2368063C1 (en) | Active load of differential amplifiers | |
RU2394360C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input resistance | |
RU2444115C1 (en) | Complementary buffer amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2416148C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2400925C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2517699C1 (en) | Differential operational amplifier with passive parallel channel |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130518 |