RU2390921C1

RU2390921C1 - Operational amplifier with low voltage of zero shift

Info

Publication number: RU2390921C1
Application number: RU2009106117/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Петр Сергеевич Будяков (RU); Петр Сергеевич Будяков; Сергей Валентинович Глушанин (RU); Сергей Валентинович Глушанин
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-05-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention may be used as device for amplification of analogue signals, in structure of analogue microchips of various functional purpose (for instance, in solving amplifiers (OA) with low values of zero shift voltage U_CM under conditions of radiation or temperature). OA comprises input differential cascade (DC) (1), having the first (2) and second (3) current leads, p-n transition of active load (4) joined with bases of the first (5) and second (6) output transistors (T), the third (7) output T, base of which is connected to the second (3) current lead of DC (1) and collector of the first (5) output T, and collector is connected to output of the first current mirror (8) and load circuit (9). Collector of the second (6) output T is connected to emitter of additional T (10), base of additional T (10) is connected to input of additional current mirror (11), collector is connected to input of the first (8) current mirror, and output of additional current mirror (11) is connected to the first (2) output of DC 1.

EFFECT: reduced zero shift voltage.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функциональною назначения (например, в решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля U_см в условиях воздействия радиации или температуры).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 decision amplifiers with low values of bias voltage U _cm under the influence of radiation or temperature).

В структуре аналоговых интерфейсов различного назначения находят широкое применение операционные усилители (ОУ), характеризующиеся двухканальной передачей выходных токов входного дифференциального каскада на вход буферного усилителя [1-8]. Их основное достоинство - исключение нелинейных режимов промежуточного каскада, что способствует повышению быстродействия в схемах с нелинейной коррекцией [7, 8]. Следует отметить, что по такой архитектуре выполняются ОУ как на биполярных [2, 4, 6], так и на полевых [1, 3] транзисторах.In the structure of analog interfaces for various purposes, operational amplifiers (op amps) are widely used, characterized by two-channel transmission of the output currents of the input differential stage to the input of the buffer amplifier [1-8]. Their main advantage is the exclusion of nonlinear modes of the intermediate stage, which contributes to increased performance in circuits with nonlinear correction [7, 8]. It should be noted that according to this architecture, opamps are performed both on bipolar [2, 4, 6] and field [1, 3] transistors.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в патенте США №5.512.857 фиг.3, которая стала основой построения различных аналоговых устройств, например [1-8].Closest to the technical nature of the claimed device is the classical OA diagram of FIG. 1, presented in US patent No. 5.512.857 of FIG. 3, which has become the basis for the construction of various analog devices, for example [1-8].

Существенный недостаток ОУ-прототипа состоит в повышенном напряжении смещения нуля U_см, что обусловлено свойствами его архитектуры.A significant disadvantage of the op-amp prototype is the increased zero bias voltage U _cm , which is due to the properties of its architecture.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля U_см.The main objective of the invention is to reduce the systematic component of the bias voltage of zero U _see

Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, p-n переход активной нагрузки 4, связанный с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, третий 7 выходной транзистор, база которого связана со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и коллектором первого 5 выходного транзистора, а коллектор соединен с выходом первого токового зеркала 8 и цепью нагрузки 9, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор второго 6 выходного транзистора соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база дополнительного транзистора 10 соединена со входом дополнительного токового зеркала 11, коллектор подключен ко входу первого 8 токового зеркала, а выход дополнительного токового зеркала 11 соединен с первым 2 выходом входного дифференциального каскада 1.This goal is achieved by the fact that in the operational amplifier of figure 1, containing the input differential stage 1, having the first 2 and second 3 current outputs, pn active load transition 4, connected with the bases of the first 5 and second 6 output transistors, the third 7 output transistor, the base of which is connected with the second 3 current output of the input differential stage 1 and the collector of the first 5 output transistor, and the collector is connected to the output of the first current mirror 8 and the load circuit 9, new elements and connections are provided - the second collector The 6th output transistor is connected to the emitter of the additional transistor 10, the base of the additional transistor 10 is connected to the input of the additional current mirror 11, the collector is connected to the input of the first 8 current mirror, and the output of the additional current mirror 11 is connected to the first 2 output of the input differential stage 1.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with the claims.

На фиг.3 представлена схема фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice па моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».Figure 3 presents the diagram of figure 1 in the environment of computer simulation PSpice pa models of integrated transistors FSUE NLP "Pulsar".

На фиг.4 представлена схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».Figure 4 presents the diagram of figure 2 in the environment of computer simulation PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На фиг.5 представлены графики температурной зависимости U_см ОУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ОУ (фиг.4), полученные в результате моделирования сравниваемых схем.Figure 5 presents graphs of the temperature dependence of U _{cm of the} op-amp prototype (Fig. 3) and the claimed op-amp (Fig. 4) obtained by modeling the compared circuits.

Операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 токовые выходы, p-n переход активной нагрузки 4, связанный с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, третий 7 выходной транзистор, база которого связана со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и коллектором первого 5 выходного транзистора, а коллектор соединен с выходом первого токового зеркала 8 и цепью нагрузки 9. Коллектор второго 6 выходного транзистора соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база дополнительного транзистора 10 соединена со входом дополнительного токового зеркала 11, коллектор подключен ко входу первого 8 токового зеркала, а выход дополнительного токового зеркала 11 соединен с первым 2 выходом входного дифференциального каскада 1.The operational amplifier of figure 2 contains an input differential stage 1 having first 2 and second 3 current outputs, pn active load transition 4, connected to the bases of the first 5 and second 6 output transistors, the third 7 output transistor, the base of which is connected to the second 3 current output input differential stage 1 and the collector of the first 5 output transistor, and the collector is connected to the output of the first current mirror 8 and the load circuit 9. The collector of the second 6 output transistor is connected to the emitter of the additional transistor 10, b the additional transistor 10 is connected to the input of the additional current mirror 11, a collector connected to the input 8 of the first current mirror and the output of the additional current mirror 11 is connected to the first output of the input 2 of the differential stage 1.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коэффициент передачи по току первого токового зеркала 8 выбран близким к единице, а коэффициент передачи по току дополнительного токового зеркала 11 - близким к двум.In figure 2, in accordance with claim 2, the current transfer coefficient of the first current mirror 8 is selected close to unity, and the current transfer coefficient of the additional current mirror 11 is close to two.

Рассмотрим работу схемы фиг.2 на постоянном токе.Consider the operation of the circuit of figure 2 at direct current.

Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1 равен 2I₀, то токи выходов 2 и 3If we assume that the current of the common emitter circuit of the input differential stage 1 is 2I ₀ , then the currents of outputs 2 and 3

где I_б.р - ток базы входных n-p-n транзисторов, образующих входной дифференциальный каскад 1.where I _b.p is the base current of the input npn transistors forming the input differential stage 1.

С учетом первого закона Кирхгофа можно найти ток через р-n переход 4:Given the first law of Kirchhoff, you can find the current through the pn junction 4:

где I_б.i - ток базы i-го транзистора;where I _b.i is the base current of the i-th transistor;

K_i - коэффициент передачи по току дополнительного токового зеркала 11.K _i - current transfer coefficient of the additional current mirror 11.

Если выбрать K_i=2 и учесть, что токи эмиттера I_эi транзисторов 5 и 6 равны току через p-n переход 4, а коэффициент усиления по току базы β транзисторов 6, 10, 5 и 7 одинаковы (β₆=β₁₀=β₅=β₇=β), то из (3) можно найти, чтоIf we choose K _i = 2 and take into account that the emitter currents of I _ei transistors 5 and 6 are equal to the current through pn junction 4, and the current gain of the base β of transistors 6, 10, 5 and 7 are the same (β ₆ = β ₁₀ = β ₅ = β ₇ = β), then from (3) we can find that

Поэтому сумма токов в узле «A» близка к нулюTherefore, the sum of the currents in the node "A" is close to zero

.

Вследствие воздействия, например, радиации или температуры токи I_б.7 и I_б.5 изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I_p≈0, так как изменения I_б.7 и I_б.5 одинаковы. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_p в узле «A» создает U_см, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u_вх ОУ фиг.2 в выходной ток узла «A»Due to, for example, radiation or temperature, the currents I _b.7 and I _b.5 change several times, however, in this case too, I _p ≈ 0, since the changes in I _b.7 and I _{b.5 are the} same. 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 of the conversion of the input voltage u _{in the} op-amp of FIG. 2 into the output current of the node “A”

где r_э1=r_э2 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 1.where r _e1 = r _e2 are the resistance of the emitter junctions of the input transistors of the differential stage 1.

Поэтому для схемы фиг.2Therefore, for the circuit of FIG. 2

где

;Where

;

φ_т - температурный потенциал.φ _t - temperature potential.

В ОУ-прототипе фиг.1 разностный ток I_р≠0:In the op-amp prototype of figure 1, the differential current I _p ≠ 0:

I_p=-2I_б.5-I_б.6+I_б.7≈-2I_б.5 I _p = -2I _b.5 -I _b.6 + I _b.7 ≈-2I _b.5

илиor

где β₅ - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.where β ₅ is the current gain of the base of transistor 5.

Как следствие напряжение смещения нуляAs a result, zero bias voltage

Если β=100, то U_см≈1 мВ, поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается как минимум на порядок больше (фиг.3, U_см=989 мкВ), чем в заявляемой схеме (фиг.4, U_см=84 мкВ). Компьютерное моделирование (фиг.5) подтверждает данные выводы.If β = 100, then U _cm ≈1 mV, therefore, here the systematic component U _{cm is} obtained at least an order of magnitude more (Fig. 3, U _cm = 989 μV) than in the claimed circuit (Fig. 4, U _cm = 84 μV ) Computer simulation (figure 5) confirms these findings.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенное преимущество в сравнении с прототипом по статической точности.Thus, the inventive device has a significant advantage in comparison with the prototype in static accuracy.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент США №6.150.884.1. US patent No. 6.150.884.

2. Патент США №5.512.857, фиг.3.2. US patent No. 5.512.857, Fig.3.

3. Патентная заявка Японии JP 2002/043870.3. Japanese Patent Application JP 2002/043870.

4. А.св. СССР №614528, фиг.2.4. A. St. USSR No. 614528, figure 2.

5. Патент Японии JP 7-74554.5. Japanese Patent JP 7-74554.

6. А.св. СССР №1396242, фиг.1.6. A. St. USSR No. 1396242, figure 1.

7. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст]. / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко П.П., Соколов Ю.М. - Л., 1979. - С.143. - Рис.3-37.7. Operational amplifiers with direct cascade coupling [Text]. / Anisimov V.I., Kapitonov M.V., Prokopenko P.P., Sokolov Yu.M. - L., 1979. - P.143. - Fig. 3-37.

8. Маломощные быстродействующие операционные усилители [Текст]. / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко П.П., Соколов Ю.М., Югай В. // Активные избирательные системы: Межвузовский научно-технический сборник. - Таганрог: ТРТИ, 1978. - №4.8. Low-power high-speed operational amplifiers [Text]. / Anisimov V.I., Kapitonov M.V., Prokopenko P.P., Sokolov Yu.M., Yugay V. // Active Electoral Systems: Interuniversity Scientific and Technical Collection. - Taganrog: TRTI, 1978. - No. 4.

Claims

1. Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля, содержащий входной дифференциальный каскад (1), имеющий первый (2) и второй (3) токовые выходы, р-n переход активной нагрузки (4), связанный с базами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов, третий (7) выходной транзистор, база которого связана со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и коллектором первого (5) выходного транзистора, а коллектор соединен с выходом первого токового зеркала (8) и цепью нагрузки (9), отличающийся тем, что коллектор второго (6) выходного транзистора соединен с эмиттером дополнительного транзистора (10), база дополнительного транзистора (10) соединена со входом дополнительного токового зеркала (11), коллектор подключен ко входу первого (8) токового зеркала, а выход дополнительного токового зеркала (11) соединен с первым (2) выходом входного дифференциального каскада (1).1. An operational amplifier with a low zero bias voltage, comprising an input differential stage (1), having first (2) and second (3) current outputs, a pn active load transition (4) connected to the bases of the first (5) and second (6) output transistors, a third (7) output transistor, the base of which is connected to the second (3) current output of the input differential stage (1) and the collector of the first (5) output transistor, and the collector is connected to the output of the first current mirror (8) and load circuit (9), characterized in that the collector of the second (6) output of the first transistor is connected to the emitter of the additional transistor (10), the base of the additional transistor (10) is connected to the input of the additional current mirror (11), the collector is connected to the input of the first (8) current mirror, and the output of the additional current mirror (11) is connected to the first ( 2) the output of the input differential stage (1).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициент передачи по току первого токового зеркала (8) близок к единице, а коэффициент передачи по току дополнительного токового зеркала (11) близок к двум. 2. The device according to claim 1, characterized in that the current transfer coefficient of the first current mirror (8) is close to unity, and the current transfer coefficient of the additional current mirror (11) is close to two.