RU2462812C1 - Operating amplifier with low zero offset voltage - Google Patents
Operating amplifier with low zero offset voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2462812C1 RU2462812C1 RU2011133728/08A RU2011133728A RU2462812C1 RU 2462812 C1 RU2462812 C1 RU 2462812C1 RU 2011133728/08 A RU2011133728/08 A RU 2011133728/08A RU 2011133728 A RU2011133728 A RU 2011133728A RU 2462812 C1 RU2462812 C1 RU 2462812C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current mirror
- current
- output transistor
- emitter
- 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 прецизионных интегральных и решающих усилителях, 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 integrated and solving amplifiers, comparators, etc.).
Известны схемы операционных усилителей (ОУ) на основе трех токовых зеркал [1-5]. ОУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных аналоговых микросхем [1-22], в т.ч. ОУ с опцией rail-to-rail, имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжениям питания.Known schemes of operational amplifiers (op amps) based on three current mirrors [1-5]. Op-amps with such an architecture have become the basis for the construction of many modern analog microcircuits [1-22], including Op-amps with a rail-to-rail option having a maximum output voltage amplitude close to the supply voltage.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является операционный усилитель, описанный в патенте US №4241315, fig.4. Его существенная особенность - применение каскодных токовых зеркал, обладающих высоким выходным сопротивлением (влияющим на коэффициент усиления ОУ по напряжению), а также характеризующихся повышенным диапазоном рабочих частот в сравнении с другими вариантами токовых зеркал. Архитектура ОУ-прототипа также используется во многих патентах ведущих микроэлектронных фирм [5-22]. ОУ фиг.1 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными со входами соответствующих первого 4 и второго 5 токовых зеркал, согласованными с первой 6 шиной источника питания, буферный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго 5 токового зеркала и коллектором первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, первый 9 p-n переход третьего токового зеркала, включенный между базой первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, подключенной к выходу первого 4 токового зеркала и базой второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, второй 11 p-n переход третьего токового зеркала, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, вторую 12 шину источника питания, связанную с эмиттером второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, причем коллектор второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала связан с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала.The closest prototype (figure 1) of the inventive device is an operational amplifier described in US patent No. 4241315, fig.4. Its essential feature is the use of cascode current mirrors with a high output impedance (affecting the gain of the op-amp by voltage), as well as characterized by an increased range of operating frequencies in comparison with other versions of current mirrors. The architecture of the op-amp prototype is also used in many patents of leading microelectronic companies [5-22]. The
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), в том числе при температурных и радиационных воздействиях.A significant disadvantage 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 ), including during temperature and radiation influences.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм, его температурного и радиационного дрейфа.The main objective of the invention is to reduce the absolute value of U cm , its temperature and radiation drift.
Поставленная задача решается тем, что в операционном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными со входами соответствующих первого 4 и второго 5 токовых зеркал, согласованными с первой 6 шиной источника питания, буферный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго 5 токового зеркала и коллектором первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, первый 9 p-n переход третьего токового зеркала, включенный между базой первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, подключенной к выходу первого 4 токового зеркала и базой второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, второй 11 p-n переход третьего токового зеркала, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, вторую 12 шину источника питания, связанную с эмиттером второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, причем коллектор второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала связан с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный составной транзистор 13, содержащий N параллельно включенных биполярных транзисторов (13.1, 13.2, …13.N), база которого соединена с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, эмиттер подключен ко второй 12 шине источника питания, а коллектор соединен с дополнительным 14 источником питания.The problem is solved in that in the operational amplifier (figure 1), containing the input
Схема операционного усилителя-прототипа представлена на фиг.1, а на фиг.2 приведена схема ОУ фиг.1, в которой подсхемы 4 и 5 могут иметь идентичное, в том числе каскодное построение.The scheme of the operational amplifier-prototype is shown in Fig. 1, and Fig. 2 shows a diagram of the op-amp of Fig. 1, in which
На фиг.3 показана схема заявляемого ОУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.Figure 3 shows a diagram of the claimed OS in accordance with
На фиг.4 и 5 показаны схемы усилителя-прототипа (фиг.4) и заявляемого ОУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АВМК_1_3 (г.Минск) с идеальным буферным каскадом.Figures 4 and 5 show a prototype amplifier circuit (Fig. 4) and the claimed op-amp (Fig. 5) in a computer simulation environment PSpice on AVMK_1_3 integrated transistor models (Minsk) with an ideal buffer cascade.
На фиг.6 приведены температурные зависимости напряжения смещения нуля Uсм сравниваемых схем ОУ фиг.4 и фиг.5.Figure 6 shows the temperature dependence of the bias voltage of zero U cm compared circuits of the op-amp of figure 4 and figure 5.
На фиг.7 приведена зависимость напряжения смещения нуля Uсм сравниваемых схем ОУ фиг.4 и 5 от потока нейтронов.Figure 7 shows the dependence of the zero bias voltage U cm of the compared op amp circuits of Figs. 4 and 5 on the neutron flux.
Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными со входами соответствующих первого 4 и второго 5 токовых зеркал, согласованными с первой 6 шиной источника питания, буферный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго 5 токового зеркала и коллектором первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, первый 9 p-n переход третьего токового зеркала, включенный между базой первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, подключенной к выходу первого 4 токового зеркала и базой второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, второй 11 p-n переход третьего токового зеркала, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, вторую 12 шину источника питания, связанную с эмиттером второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала, причем коллектор второго 10 выходного транзистора третьего токового зеркала связан с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала. В схему введен дополнительный составной транзистор 13, содержащий N параллельно включенных биполярных транзисторов (13.1, 13.2, …13.N), база которого соединена с эмиттером первого 8 выходного транзистора третьего токового зеркала, эмиттер подключен ко второй 12 шине источника питания, а коллектор соединен с дополнительным 14 источником питания.The operational amplifier with a low zero bias voltage of FIG. 2 contains an input
В соответствии с п.2 формулы изобретения число параллельно включенных биполярных транзисторов в структуре дополнительного составного транзистора 13 равно четырем (N=4) (13.1, 13.2, 13.3, 13.4), а в качестве первого 4 и второго 5 токовых зеркал используются схемы идентичных токовых зеркал, реализуемых, например, по схеме Вильсона и ее многочисленным модификациям.In accordance with
В соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве дополнительного 14 источника питания используется общая шина положительного 6 и отрицательного 12 источников питания.In accordance with
Буферный усилитель 7 с малым входным током может быть реализован как на полевых, так и на биполярных транзисторах по классическим схемам Дарлингтона. Входной дифференциальный каскад 1 в схеме фиг.3 реализован на входных транзисторах 15, 16 и источнике тока 17.The
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (Uсм) в схеме фиг.3, в которой буферный усилитель 7 имеет малые входные токи (IБУ≈0).Consider the factors that determine the systematic component of the bias voltage zero (U cm ) in the circuit of figure 3, in which the
Если учесть, что выходные токи для узлов 2 и 3 входного дифференциального каскада 1 удовлетворяют условиямGiven that the output currents for
то можно найти выходные токи токовых зеркал 4 и 5, в качестве которых рекомендуется использовать как классические токовые зеркала Вильсона с Ki12=-1, так и каскодные токовые зеркала (см. US 4.241.315)you can find the output currents of
где Iсм.4=Iсм.5 - токи смещения нуля идентичных токовых зеркал 4 и 5;where I cm 4 = I cm 5 - zero bias currents of identical
Iбр=Iэ/βi - токи базы входных n-p-n транзисторов 15 и 16 схемы ОУ фиг.3 при их эмиттерном токе ;I br = I e / β i are the base currents of the input npn transistors 15 and 16 of the op-amp circuit of Fig. 3 with their emitter current ;
βi - коэффициент усиления по току базы n-p-n транзисторов схемы;β i is the current gain of the base npn of the transistors of the circuit;
Ki12.4=Ki12.5=1 - коэффициент передачи по току идентичных токовых зеркала 4 и 5.K i12.4 = K i12.5 = 1 - current transfer coefficient of identical
Таким образом, при идентичных токовых зеркалах 4 и 5 на вход третьего каскадного токового зеркала на транзисторах 8 и 10 поступает ток I4=I0=I5.Thus, with identical
Введение в схему ОУ составного транзистора 13 при N=4 обеспечивает следующие эмиттерный (Iэ) и коллекторный (Iк) токи транзистора 8The introduction of a composite transistor 13 at N = 4 into the opamp circuit provides the following emitter (I e ) and collector (I k ) currents of the
где Where
Таким образом, в схеме фиг.2 в высокоимпедансном узле «А» обеспечивается полная взаимная компенсация токов I5 и Iк8, обусловленных неидентичностью транзисторов 8 и 10 третьего токового зеркала. Поэтому систематическая составляющая напряжения смещения нуля в схеме фиг.3 близка к нулю (Uсм≈0).Thus, in the circuit of figure 2 in the high-impedance node "A" provides full mutual compensation of the currents I 5 and I k8 , due to the non-identity of the
В частном случае коллекторы биполярных транзисторов 13.1…13.N могут использоваться как источники тока, устанавливающие статический режим транзисторов буферного усилителя 7, или подключаться к общей шине источника питания.In the particular case, the collectors of bipolar transistors 13.1 ... 13.N can be used as current sources, setting the static mode of the transistors of the
Результаты компьютерного моделирования известной (фиг.4) и предлагаемой (фиг.5) схем ОУ, представленные на фиг.6 и 7 показывают, что схема фиг.5 имеет более чем на порядок меньшее значение Uсм, его температурный (фиг.6), а также радиационный дрейф (фиг.7).The results of computer simulation of the known (Fig. 4) and proposed (Fig. 5) op-amp circuits shown in Figs. 6 and 7 show that the circuit of Fig. 5 has more than an order of magnitude lower U cm , its temperature (Fig. 6) , as well as radiation drift (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. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001, стр.225.1. Operational amplifiers and comparators [Text]. - M .: Publishing house "Dodeka-XXI", 2001, p. 225.
2. Полонников Д.Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е.Полонников. - М., 1983, с.203.2. Polonnikov D.E. Operational amplifiers: principles of construction, theory, circuitry [Text] / D.E. Polonnikov. - M., 1983, p.203.
3. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.106 (ОУ СА3078).3. Operational amplifiers and comparators. - M.: Dodeka-XXI Publishing House, 2001, p. 106 (OU CA3078).
4. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.2.12.4. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers [Text] / V.V. Matavkin. - M .: Radio and communications, 1989. - Fig. 2.12.
5. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст]: Пер. с нем. / П.Шкритек - М.: Мир, 1991. - С.96, рис.8.2.1.5. Shkritek P. Reference manual for sound circuitry [Text]: Per. with him. / P. Shkritek - M.: Mir, 1991. - P.96, Fig. 8.2.1.
6. Патент США №4783602.6. US patent No. 4783602.
7. Патент США №4176323.7. US Patent No. 4,176,323.
8. Патент США №5371476.8. US patent No. 5371476.
9. Патент США RE 30.587.9. US Patent RE 30.587.
10. Патент США №4241315.10. US patent No. 4241315.
11. Патент США №4267519.11. US patent No. 4267519.
12. Патент США №4361815.12. US patent No. 4361815.
13. Патент США №3439542.13. US patent No. 3439542.
14. Патент США №5880639.14. US patent No. 5880639.
15. A.св. СССР №361605.15. A. St. USSR No. 361605.
16. Патент ФРГ №2551068.16. The patent of Germany No. 2551068.
17. Патент ФРГ №2620999.17. German patent No. 2620999.
18. Патент США №5936568.18. US patent No. 5936568.
19. Патент США №5497124.19. US Patent No. 5497124.
20. Патент США №3979689.20. US patent No. 3979689.
21. Патент США №5399991.21. US patent No. 5399991.
22. Патент США №4618832.22. US patent No. 4618832.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011133728/08A RU2462812C1 (en) | 2011-08-10 | 2011-08-10 | Operating amplifier with low zero offset voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011133728/08A RU2462812C1 (en) | 2011-08-10 | 2011-08-10 | Operating amplifier with low zero offset voltage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2462812C1 true RU2462812C1 (en) | 2012-09-27 |
Family
ID=47078631
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011133728/08A RU2462812C1 (en) | 2011-08-10 | 2011-08-10 | Operating amplifier with low zero offset voltage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2462812C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4241315A (en) * | 1979-02-23 | 1980-12-23 | Harris Corporation | Adjustable current source |
RU2292636C1 (en) * | 2005-07-21 | 2007-01-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
EP1863171A1 (en) * | 2006-05-31 | 2007-12-05 | STMicroelectronics S.r.l. | Operational amplifier of class AB |
RU2331975C1 (en) * | 2007-04-26 | 2008-08-20 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier with minor zero offset voltage |
-
2011
- 2011-08-10 RU RU2011133728/08A patent/RU2462812C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4241315A (en) * | 1979-02-23 | 1980-12-23 | Harris Corporation | Adjustable current source |
RU2292636C1 (en) * | 2005-07-21 | 2007-01-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
EP1863171A1 (en) * | 2006-05-31 | 2007-12-05 | STMicroelectronics S.r.l. | Operational amplifier of class AB |
RU2331975C1 (en) * | 2007-04-26 | 2008-08-20 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier with minor zero offset voltage |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2462812C1 (en) | Operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2455757C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2595927C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier | |
RU2615070C1 (en) | High-precision two-stage differential operational amplifier | |
RU2414808C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2393629C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier | |
RU2412530C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2411634C1 (en) | Differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2621289C1 (en) | Two-stage differential operational amplifier with higher gain | |
RU2402150C1 (en) | Current mirror with load circuit in form of cascade at transistor with common emitter | |
RU2446555C2 (en) | Differential operational amplifier | |
RU2319291C1 (en) | Cascade differential amplifier | |
RU2820341C1 (en) | Gallium arsenide operational amplifier based on "bent" cascode | |
RU2416152C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2444119C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2390921C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2449465C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2459348C1 (en) | Operational amplifier having gain adjustment circuit | |
RU2820562C1 (en) | Gallium arsenide operational amplifier with high gain and low level of systematic component of zero offset voltage | |
RU2815912C1 (en) | Resistorless gallium arsenide differential cascade and operational amplifier based on it with low zero offset voltage | |
RU2450425C1 (en) | Precision operational amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130811 |