прецизионный операционный усилитель

Формула изобретения

Прецизионный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного (4) и отрицательного (5) источников питания, первый (6) и второй (7) входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый (8) и второй (9) выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом (10) устройства, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго (7) входного транзистора буферного каскада и базой первого (8) выходного транзистора буферного каскада, второй (12) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого (6) входного транзистора буферного каскада и базой второго (9) выходного транзистора буферного каскада, отличающийся тем, что в схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого (6) и второго (7) входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (14) дополнительного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с выходом (10) устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.

Одним из классических вариантов построения операционных усилителей являются схемы, содержащие входной дифференциальный каскад и выходной каскад на базе так называемых «бриллиантовых» транзисторов, которые стали основой современных аналоговых микросхем [1-10]. Предполагаемое изобретение относится к данному классу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель, представленный в патенте США № 5479133, fig.5. Эта архитектура присутствует в большем числе других патентов [1-10].

Существенный недостаток известного операционного усилителя (ОУ) (фиг.1 - фиг.2) состоит в том, что он имеет повышенное значение напряжения смещения нуля (U_см), связанное с влиянием на U_см буферного каскада.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля в условиях разброса коэффициента усиления тока базы ( ) n-p-n и p-n-p транзисторов буферного каскада, а также их температурной и радиационной зависимости.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе (фиг.1 - фиг.2), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного 4 и отрицательного 5 источников питания, первый 6 и второй 7 входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго 7 входного транзистора буферного каскада и базой первого 8 выходного транзистора буферного каскада, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого 6 входного транзистора буферного каскада и базой второго 9 выходного транзистора буферного каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого 6 и второго 7 входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов связаны с выходом 10 устройства.

На фиг.2 приведена обобщенная схема ОУ-прототипа, соответствующая фиг.1. На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.4 и фиг.5 показаны схемы ОУ прототипа (фиг.4) и заявляемого устройства (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар".

На фиг.6 и фиг.7 приведены графики температурных зависимостей U_см сравниваемых ОУ фиг.3 (прототип) и фиг.4 (заявляемый ОУ).

Операционный усилитель фиг.3 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, согласованными соответственно с шиной положительного 4 и отрицательного 5 источников питания, первый 6 и второй 7 входные транзисторы буферного каскада с объединенными базами, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы буферного каскада, объединенные эмиттеры которых связаны с выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером второго 7 входного транзистора буферного каскада и базой первого 8 выходного транзистора буферного каскада, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттером первого 6 входного транзистора буферного каскада и базой второго 9 выходного транзистора буферного каскада. В схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены к базам первого 6 и второго 7 входных транзисторов буферного каскада, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а базы первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов связаны с выходом 10 устройства.

Рассмотрим работу ОУ фиг.2 и фиг.3.

Напряжение смещения нуля ОУ фиг.2 (U_см) при идеальном входном каскаде 1, т.е. не вносящем погрешностей в усиление сигналов постоянного тока, зависит от разброса транзисторов 6 ( ₆) и 7 ( ₇) и их статического режима, устанавливаемого двухполюсниками 11 (I₁₁) и 12 (I₁₂) (I ₁₂=I₁₁=I₀):

где , - токи базы транзисторов 6 и 7,

- крутизна преобразования входного напряжения ОУ фиг.2 в выходной ток узла «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шину.

При воздействии радиации или температуры n-p-n и р-n-р транзисторов 6 и 7 существенно деградируют. Причем они изменяются по разным законам. Как следствие, ОУ-прототип имеет повышенные значения U_см и его дрейфа даже при идеальном входном каскаде и особенно при больших разбросах .

В предлагаемом ОУ фиг.3 разностный ток в узле «А»

где I_к13, I_к14 - коллекторные токи транзисторов 13 и 14.

После преобразования (2) можно найти:

Так как для транзисторов одного типа проводимости ₁₃= ₇, ₆= ₁₄, причем эти параметры изменяются (при температурных и радиационных воздействиях) по одинаковым законам, то в (5) I_р 0 и поэтому U_см 0.

Данные выводы подтверждены графиками фиг.6 и фиг.8, из которых следует, что заявляемая схема ОУ имеет более чем в 10 раз меньшие значения напряжения смещения нуля.

Замечательная особенность предлагаемого ОУ состоит в том, что при введении новых элементов максимально возможная амплитуда его выходного напряжения отличается (так же как и у прототипа) от напряжения питания не более чем на 1÷1,2 В. Это весьма существенное достоинство схемы при малых .

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется более высокими качественными показателями.

Источники информации

1. Патент США № 6281752, fig.5a.

2. Патент США № 6304143, fig.3.

3. Патент США № 5786729, fig.1.

4. Патент США № 6268769, fig.3.

5. Патент США № 5128631.

6. Патент США № 5374897, fig.7.

7. Патент США № 4837523, fig.2.

8. А. С. СССР № 1506512.

9. Патент США № 5512859.

10. Патент США № 5627495.