дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля
Классы МПК: | H03F3/45 дифференциальные усилители |
Автор(ы): | Прокопенко Николай Николаевич (RU), Никуличев Николай Николаевич (RU), Будяков Петр Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2010-02-24 публикация патента:
10.06.2011 |
Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями напряжения смещения нуля Uсм в условиях воздействия радиации или температуры). Технический результат: уменьшение Uсм. Дифференциальный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), эмиттеры которых связаны друг с другом и подключены к первому (3) источнику питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого (1) входного Т соединен с коллектором и базой первого (5) вспомогательного Т и базой второго (6) вспомогательного Т, эмиттеры первого (5) и второго (6) вспомогательных Т связаны со вторым (7) источником питания, коллектор второго (2) входного Т соединен с коллектором второго (6) вспомогательного Т, первый (8) и второй (9) выходные Т с объединенными базами, эмиттеры которых соединены со вторым (7) источником питания, коллектор первого (8) выходного Т связан с базой третьего (10) выходного Т и через второй (11) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым (3) источником питания, коллектор второго (9) выходного Т связан с выходом устройства и эмиттером третьего (10) выходного Т, коллектор которого соединен с первым (3) источником питания. Базы первого (8) и второго (9) выходных Т соединены с коллектором второго (6) вспомогательного Т. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Формула изобретения
1. Дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и подключены к первому (3) источнику питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого (1) входного транзистора соединен с коллектором и базой первого (5) вспомогательного транзистора и базой второго (6) вспомогательного транзистора, эмиттеры первого (5) и второго (6) вспомогательных транзисторов связаны со вторым (7) источником питания, коллектор второго (2) входного транзистора соединен с коллектором второго (6) вспомогательного транзистора, первый (8) и второй (9) выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых соединены со вторым (7) источником питания, коллектор первого (8) выходного транзистора связан с базой третьего (10) выходного транзистора и через второй (11) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым (3) источником питания, коллектор второго (9) выходного транзистора связан с выходом устройства и эмиттером третьего (10) выходного транзистора, коллектор которого соединен с первым (3) источником питания, отличающийся тем, что базы первого (8) и второго (9) выходных транзисторов соединены с коллектором второго (6) вспомогательного транзистора.
2. Дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля по п.1, отличающийся тем, что коллектор первого (8) выходного транзистора связан с базой третьего (10) выходного транзистора через первый (12) транзисторный каскад по схеме с общей базой, а коллектор второго (9) выходного транзистора связан с выходом устройства и эмиттером третьего (10) выходного транзистора через второй (13) транзисторный каскад по схеме с общей базой.
Описание изобретения к патенту
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 операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями напряжения смещения нуля Uсм в условиях воздействия радиации или температуры).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с простейшей архитектурой, содержащие небольшое число элементов. На их основе выполняются, например, различные классы селективных цепей, где число маломощных усилителей может измеряться десятками единиц. Предлагаемое изобретение относится к данному типу устройств.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ДУ является классическая схема, изображенная на фиг.1 (см. Интегральные микросхемы. Операционные усилители и компараторы. Справочник. - Издательский Дом «Додэка-XXI», 2001, с.269), на основе которой реализованы как отечественные (140УД8, 574УД1, 140УД30), так и зарубежные (TL081) микросхемы. Данная схема стала основой построения большого числа аналоговых устройств, например [1-8].
Существенный недостаток известного ДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля Uсм.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении Uсм.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и подключены к первому 3 источнику питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором и базой первого 5 вспомогательного транзистора и базой второго 6 вспомогательного транзистора, эмиттеры первого 5 и второго 6 вспомогательных транзисторов связаны со вторым 7 источником питания, коллектор второго 2 входного транзистора соединен с коллектором второго 6 вспомогательного транзистора, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы - с объединенными базами, эмиттеры которых соединены со вторым 7 источником питания, коллектор первого 8 выходного транзистора связан с базой третьего 10 выходного транзистора и через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 3 источником питания, коллектор второго 9 выходного транзистора связан с выходом устройства и эмиттером третьего 10 выходного транзистора, коллектор которого соединен с первым 3 источником питания, предусмотрены новые связи - базы первого 8 и второго 9 выходных транзисторов соединены с коллектором второго 6 вспомогательного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.3 представлена схема ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - схема заявляемого ДУ фиг.2.
На фиг.6 представлены графики температурной зависимости Uсм сравниваемых схем, фиг.4 и 5.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и подключены к первому 3 источнику питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с коллектором и базой первого 5 вспомогательного транзистора и базой второго 6 вспомогательного транзистора, эмиттеры первого 5 и второго 6 вспомогательных транзисторов связаны со вторым 7 источником питания, коллектор второго 2 входного транзистора соединен с коллектором второго 6 вспомогательного транзистора, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы с объединенными базами, эмиттеры которых соединены со вторым 7 источником питания, коллектор первого 8 выходного транзистора связан с базой третьего 10 выходного транзистора и через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 3 источником питания, коллектор второго 9 выходного транзистора связан с выходом устройства и эмиттером третьего 10 выходного транзистора, коллектор которого соединен с первым 3 источником питания. Базы первого 8 и второго 9 выходных транзисторов соединены с коллектором второго 6 вспомогательного транзистора.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 8 выходного транзистора связан с базой третьего 10 выходного транзистора через первый 12 транзисторный каскад по схеме с общей базой, а коллектор второго 9 выходного транзистора связан с выходом устройства и эмиттером третьего 10 выходного транзистора через второй 13 транзисторный каскад по схеме с общей базой. При этом транзисторные каскады выполнены на основе транзисторов 14 и 15.
Рассмотрим работу схемы, изображенной фиг.2, на постоянном токе.
Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1 на транзисторах 1 и 2 равен 2I0, то токи коллекторов этих транзисторов:
где Iб.n - ток базы входных р-n-р транзисторов 1 и 2, образующих входной дифференциальный каскад.
С учетом первого закона Кирхгофа можно найти ток коллектора транзистора 6
Поэтому сумма токов в узле А
где Iб.89=2Iб.р - суммарный ток базы транзисторов 8 и 9.
Учитывая (1)-(3), из (4) следует, что сумма токов в узле А при его коротком замыкании на эквипотенциальную шину равна нулю, т.е. Iр =0.
Вследствие воздействия, например, радиации токи Iб,8 и Iб,6 изменяются в несколько раз, но одинаково. В этом случае Iр 0. Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Iр в узле А создает Uсм, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u вх ДУ фиг.2 в выходной ток узла А
где rэ1=rэ2 - сопротивления эмиттерных переходов входных
транзисторов дифференциального каскада 1. Поэтому для схем фиг.2
где
т - температурный потенциал.
В ДУ-прототипе Iр 0:
где 6=30÷50 - коэффициент усиления по току базы транзистора 6. Поэтому здесь систематическая составляющая Ucм получается почти на порядок больше (фиг.6, U см=-372 мкВ), чем в заявляемой схеме (фиг.6, Uсм =-44 мкВ).
Дальнейшее снижение Uсм обеспечивается в схеме фиг.3, в которой минимизируется влияние напряжения коллектор-база транзисторов 8 и 9 на величину их коэффициента усиления по току базы . В этой схеме при выборе Eс=1,4 В относительно шины второго 7 источника питания транзисторы 5, 6, 8 и 9 будут работать при одинаковых напряжениях на коллекторе, что обеспечивает равенство 5= 6= 8= 9 и, следовательно, более точную компенсацию токов базы Iб.р транзисторов 6, 8, 9 в узле А.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США № 4042886.
2. Патент Японии JP 10032437.
3. Патент Японии JP 2005033558.
4. Патент США № 4595883, fig.4.
5. Патентная заявка США № 2005/0063270А1, fig.2.
6. Патент США № 5166638, fig.1.
7. Патент США № 5537081, fig.3.
8. Патент США № 6114904.
Класс H03F3/45 дифференциальные усилители
избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном - патент 2525744 (20.08.2014) | |
мультидифференциальный операционный усилитель - патент 2523124 (20.07.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2520418 (27.06.2014) | |
составной транзистор - патент 2519563 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519558 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519446 (10.06.2014) | |
гибридный дифференциальный усилитель - патент 2519373 (10.06.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2519035 (10.06.2014) | |
инструментальный усилитель - патент 2519032 (10.06.2014) | |
дифференциальный операционный усилитель с пассивным параллельным каналом - патент 2517699 (27.05.2014) |