RU2449465C1 - Precision operational amplifier - Google Patents
Precision operational amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2449465C1 RU2449465C1 RU2011111248/08A RU2011111248A RU2449465C1 RU 2449465 C1 RU2449465 C1 RU 2449465C1 RU 2011111248/08 A RU2011111248/08 A RU 2011111248/08A RU 2011111248 A RU2011111248 A RU 2011111248A RU 2449465 C1 RU2449465 C1 RU 2449465C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- transistor
- collector
- pnp
- transistors
- 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 прецизионных интерфейсах, компараторах и т.п.).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 precision interfaces, comparators, etc.).
Известны схемы операционных усилителей (ОУ) на основе двух параллельно-включенных дифференциальных каскадов (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») и выходных каскадов, выполненных на токовых зеркалах. ОУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных микросхем [1-15], в т.ч. ОУ с опцией rail-to-rail, имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжению питания.Known operational amplifier circuits (op amps) based on two parallel-connected differential stages (DC) with current-stabilizing two-terminal circuits in the emitter circuits of input transistors (the so-called "dual input stage") and output stages made on current mirrors. Shelters with such an architecture have become the basis for the construction of many modern microcircuits [1-15], including Op-amps with a rail-to-rail option having a maximum output voltage amplitude close to the supply voltage.
Ближайшим прототипом (фиг.1, фиг.2) заявляемого устройства является операционный усилитель, описанный в патенте США №5.515.005, fig.2. Он содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной p-n-p транзистор, коллектор которого соединен с коллектором первого 5 выходного n-p-n транзистора и входом комплементарного буферного усилителя 6, второй 7 и третий 8 выходные p-n-p транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены с первой 9 шиной источника питания, коллектор третьего 8 p-n-p транзистора связан с эмиттером первого 4 выходного p-n-p транзистора, второй 10 и третий 11 выходные n-p-n транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены со второй 12 шиной источника питания, коллектор третьего 11 выходного n-p-n транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного n-p-n транзистора, причем база первого 4 выходного p-n-p транзистора соединена с коллектором второго 7 выходного p-n-p транзистора и первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, а база первого 5 выходного n-p-n транзистора соединена с коллектором второго 10 выходного n-p-n транзистора и вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1.The closest prototype (figure 1, figure 2) of the inventive device is an operational amplifier described in US patent No. 5.515.005, fig.2. It contains the input complementary
Существенный недостаток известного ДУ 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 DE 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 задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм и его температурного дрейфа.The main objective of the invention is to reduce the absolute value of U cm and its temperature drift.
Поставленная задача решается тем, что в операционном усилителе (фиг.1), содержащем входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной p-n-p транзистор, коллектор которого соединен с коллектором первого 5 выходного n-p-n транзистора и входом комплементарного буферного усилителя 6, второй 7 и третий 8 выходные p-n-p транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены с первой 9 шиной источника питания, коллектор третьего 8 p-n-p транзистора связан с эмиттером первого 4 выходного p-n-p транзистора, второй 10 и третий 11 выходные n-p-n транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены со второй 12 шиной источника питания, коллектор третьего 11 выходного n-p-n транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного n-p-n транзистора, причем база первого 4 выходного p-n-p транзистора соединена с коллектором второго 7 выходного p-n-p транзистора и первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, а база первого 5 выходного n-p-n транзистора соединена с коллектором второго 10 выходного n-p-n транзистора и вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены дополнительные p-n-p 13 и n-p-n 14 транзисторы, база дополнительного p-n-p 13 транзистора соединена с базой первого 4 выходного p-n-p транзистора, его эмиттер связан с базами второго 7 и третьего 8 выходного p-n-p транзисторов, а коллектор соединен со вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, база дополнительного n-p-n 14 транзистора соединена с базой первого 5 выходного n-p-n транзистора, его эмиттер связан с базами второго 10 и третьего 11 выходных n-p-n транзисторов, а коллектор соединен с первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1.The problem is solved in that in an operational amplifier (Fig. 1) containing an input complementary
Схема известного ОУ представлена на чертеже фиг.1.The scheme of the known op-amp is shown in the drawing of FIG.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На чертеже фиг.3 представлен ОУ фиг.2 с конкретным выполнением входного комплементарного дифференциального каскада 1, а также цепями согласования статического режима 21 и 22. Их введение симметрирует статический режим транзисторов 18 и 19 (15 и 16), что фактически уменьшает составляющую Ucм, обусловленную влиянием их внутренней обратной связи.The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with the claims. The drawing of Fig. 3 shows the opamp of Fig. 2 with a specific implementation of the input complementary
На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого устройства фиг.3 с конкретным выполнением основных функциональных узлов 1, 2, 15 и 16. В качестве токовых зеркал 7 и 10 целесообразно использовать классические токовые зеркала Вильсона.The drawing of figure 4 shows a diagram of the inventive device of figure 3 with a specific implementation of the main
На чертежах фиг.4 и фиг.5 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.4) и заявляемого ОУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». На чертеже фиг.6 представлена схема одного из наиболее близких аналогов схем фиг.4 и фиг.5.The drawings of Fig. 4 and Fig. 5 show the schemes of an op-amp prototype (Fig. 4) and the claimed op-amp (Fig. 5) in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP "Pulsar". The drawing of Fig.6 shows a diagram of one of the closest analogues of the circuits of Fig.4 and Fig.5.
На чертеже фиг.7 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля трех сравниваемых схем фиг.4, фиг.5, фиг.6.The drawing of Fig.7 shows the temperature dependence of the bias voltage of the zero of the three compared circuits of Fig.4, Fig.5, Fig.6.
Прецизионный операционный усилитель содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной p-n-p транзистор, коллектор которого соединен с коллектором первого 5 выходного n-p-n транзистора и входом комплементарного буферного усилителя 6, второй 7 и третий 8 выходные p-n-p транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены с первой 9 шиной источника питания, коллектор третьего 8 p-n-p транзистора связан с эмиттером первого 4 выходного p-n-p транзистора, второй 10 и третий 11 выходные n-p-n транзисторы, базы которых связаны друг с другом, эмиттеры соединены со второй 12 шиной источника питания, коллектор третьего 11 выходного n-p-n транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного n-p-n транзистора, причем база первого 4 выходного p-n-p транзистора соединена с коллектором второго 7 выходного p-n-p транзистора и первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, а база первого 5 выходного n-p-n транзистора соединена с коллектором второго 10 выходного n-p-n транзистора и вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1. В схему введены дополнительные p-n-p 13 и n-p-n 14 транзисторы, база дополнительного p-n-p 13 транзистора соединена с базой первого 4 выходного p-n-p транзистора, его эмиттер связан с базами второго 7 и третьего 8 выходного p-n-p транзисторов, а коллектор соединен со вторым 3 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1, база дополнительного n-p-n 14 транзистора соединена с базой первого 5 выходного n-p-n транзистора, его эмиттер связан с базами второго 10 и третьего 11 выходных n-p-n транзисторов, а коллектор соединен с первым 2 токовым выходом входного комплементарного дифференциального каскада 1.The precision operational amplifier contains an input complementary
Входной комплементарный каскад реализуется по классическим схемам [1-15], например, так, как показано на чертеже фиг.3 (элементы 15, 16, 17 и 18, 19, 20).The input complementary cascade is implemented according to the classical schemes [1-15], for example, as shown in the drawing of figure 3 (
Комплементарный буферный усилитель 6 также реализуется на базе классических архитектур (фиг.1, фиг.4, фиг.5, фиг.6), которые широко используются в ОУ рассматриваемого класса (см. патенты US 5.515.005, fig.2, US 6.268.769, fig.3, JP 7050528 и др.).A
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля Uсм в схеме фиг.3, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.Consider the factors that determine the systematic component of the bias voltage of zero U cm in the circuit of figure 3, i.e. circuit-dependent op amps.
Если токи двухполюсников 17 и 20 равны величине 2I0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа токи эмиттера (Iэi) коллектора (Iк.i) и базы (Iб.i) транзисторов схемы:If the currents of the two-
где Iб.i=Iэ.i/βi - ток базы n-p-n (Iб.p) или p-n-p (Iб.n) транзисторов схемы при их эмиттерном токе Iэ.i=I0;where I b . i = I e . i / β i - base current npn (I b. p ) or pnp (I b. n ) of the transistors of the circuit at their emitter current I e . i = 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.
Как следствие, разность токов Ip в узле «A» (Ip) при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину будет близка к нулю, если выполняется условие:As a result, the current difference I p in the node “A” (I p ) when it is shorted to the equipotential common bus will be close to zero if the condition is satisfied:
где xn, xp - масштабные коэффициенты при составляющих входного тока буферного усилителя 6, входной ток которого:where x n , x p - scale factors for the components of the input current of the
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»: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 the op-amp into the output current of the node “A”:
где rэ15=rэ16=rэ18=rэ19 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 15, 16, 18, 19 для ОУ с конкретным выполнением входного каскада (фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6).where r e15 = r e16 = r e18 = r e19 are the resistance of the emitter junctions of
Поэтому для схемы фиг.3 - фиг.5 систематическая составляющая Uсм близка к нулю:Therefore, for the circuit of FIG. 3 to FIG. 5, the systematic component U cm is close to zero:
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 больше чем в заявляемой схеме.In the op-amp prototype I p ≠ 0, therefore, here the systematic component U cm is obtained more than in the claimed scheme.
Компьютерное моделирование сравниваемых схем подтверждает (фиг.7) данные теоретические выводы.Computer simulation of the compared circuits confirms (Fig. 7) these theoretical conclusions.
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 №5.291.149 fig.3.1. US patent No. 5.291.149 fig. 3.
2. Патент США №4.595.883.2. US Patent No. 4,595,883.
3. Патент США №5.225.791.3. US Patent No. 5.225.791.
4. Патент США №3.974.455.4. US Patent No. 3,974,455.
5. Патент США №4.783.637.5. US patent No. 4.783.637.
6. А.св. СССР 611288.6. A. St. USSR 611288.
7. Патент Франции №2224932.7. French patent No. 2224932.
8. Патент США №3.968.451.8. US Patent No. 3,968.451.
9. Патент США №5.512.859.9. US patent No. 5.512.859.
10. Патент США №6.268.769 fig.3.10. US Patent No. 6,268.769 fig. 3.
11. Патент США №5.515.005.11. US patent No. 5.515.005.
12. Патентная заявка США №2005/0024140 A1.12. US Patent Application No. 2005/0024140 A1.
13. Патент Японии JP 7050528.13. Japanese patent JP 7050528.
14. Патент WO 98/0091.14. Patent WO 98/0091.
15. Патент США №4.757.273 fig.22.15. U.S. Patent No. 4,757.273 fig.22.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011111248/08A RU2449465C1 (en) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Precision operational amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011111248/08A RU2449465C1 (en) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Precision operational amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2449465C1 true RU2449465C1 (en) | 2012-04-27 |
Family
ID=46297691
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011111248/08A RU2449465C1 (en) | 2011-03-24 | 2011-03-24 | Precision operational amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2449465C1 (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 |
RU2814685C1 (en) * | 2023-11-01 | 2024-03-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Gallium arsenide operational amplifier for operation in wide temperature range |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5515005A (en) * | 1993-07-27 | 1996-05-07 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Operational amplifier |
US6696894B1 (en) * | 2002-06-12 | 2004-02-24 | Analog Devices, Inc. | Operational amplifier with independent input offset trim for high and low common mode input voltages |
RU2284647C1 (en) * | 2005-02-17 | 2006-09-27 | Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) | Differential amplifier |
RU2319288C1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-03-10 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier using low-voltage power supply |
-
2011
- 2011-03-24 RU RU2011111248/08A patent/RU2449465C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5515005A (en) * | 1993-07-27 | 1996-05-07 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Operational amplifier |
US6696894B1 (en) * | 2002-06-12 | 2004-02-24 | Analog Devices, Inc. | Operational amplifier with independent input offset trim for high and low common mode input voltages |
RU2284647C1 (en) * | 2005-02-17 | 2006-09-27 | Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) | Differential amplifier |
RU2319288C1 (en) * | 2006-07-13 | 2008-03-10 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier using low-voltage power supply |
Cited By (3)
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 |
RU2814685C1 (en) * | 2023-11-01 | 2024-03-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Gallium arsenide operational amplifier for operation in wide temperature range |
RU2814681C1 (en) * | 2023-11-03 | 2024-03-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Non-resistive gallium arsenide operational amplifier with low level of systematic component of zero offset voltage |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2365969C1 (en) | Current mirror | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2449465C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2412530C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2331964C1 (en) | Voltage-to-current converter | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2411644C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2393629C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2419198C1 (en) | Precision operating amplifier | |
RU2390921C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2444119C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2412528C1 (en) | Cascode differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2450425C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2449466C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2412540C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2390914C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2412534C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2411639C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2412537C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2411642C1 (en) | Cascode differential amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130325 |