[go: up one dir, main page]

RU2319293C1 - Cascade differential amplifier - Google Patents

Cascade differential amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2319293C1
RU2319293C1 RU2006127793/09A RU2006127793A RU2319293C1 RU 2319293 C1 RU2319293 C1 RU 2319293C1 RU 2006127793/09 A RU2006127793/09 A RU 2006127793/09A RU 2006127793 A RU2006127793 A RU 2006127793A RU 2319293 C1 RU2319293 C1 RU 2319293C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transistor
collector
cascade
emitter
base
Prior art date
Application number
RU2006127793/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Андрей Васильевич Хорунжий
Сергей Владимирович Крюков
Original Assignee
ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) filed Critical ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС)
Priority to RU2006127793/09A priority Critical patent/RU2319293C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2319293C1 publication Critical patent/RU2319293C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering and communications, possible use as device for amplification of analog signals, in structure of analog microchips of various functional purposes (for example, in operational amplifiers with low values of zero shift EMF).
SUBSTANCE: cascade differential amplifier contains input differential cascade (1), transistors (2) and (3) of intermediate cascade, bases of which are connected to shifting voltage supply (4), and emitters are connected to outputs (5) and (6) of differential cascade (1) and through first (7) and second (8) current-stabilizing dipoles are connected to bus of first (9) power supply, where collector of transistor (3) of intermediate cascade is connected to input (10) of buffer amplifier (11) and collector of transistor (12) of intermediate cascade, emitter of which is connected to emitter of transistor (13) of intermediate cascade and to bus of second intermediate cascade (14), and base is connected to base of transistor (13) and collector of transistor (2). An additional transistor (15) is introduced to the circuit, base of which is connected to common bus of first (9) and second (14) current supplies, collector is connected to emitter of transistor (2), and emitter is connected to collector of transistor (13), resulting in reduction of zero shift EMF of cascade differential amplifier due to identical shift of input characteristics of transistors (13) and (12), caused by influence of Early effect.
EFFECT: increased efficiency.
2 cl, 6 dwg

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, операционных усилителях с малыми значениями эдс смещения нуля (ОУ)).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 of various functional purposes (for example, operational amplifiers with small values of the emf of zero bias (OA)).

Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах [1-36], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УДЗ и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 200 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.Known circuits of the so-called “bent” cascode differential amplifiers (DU) on npn and pnp transistors [1-36], which became the basis of more than 20 serial operational amplifiers manufactured as foreign (HA2520, HA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90 and etc.), and Russian (154UDZ, etc.) microelectronic firms. Due to the high popularity of such a remote control architecture, more than 200 patents have been issued for their modification. The present invention relates to this subclass of devices.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный дифференциальный усилитель (КДУ), описанный в патенте США №6696888, содержащий входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 выходные транзисторы промежуточного каскада, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 4, а эмиттеры соединены с выходами 5 и 6 входного дифференциального каскада 1 и через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной первого 9 источника питания, причем коллектор второго выходного транзистора 3 промежуточного каскада соединен со входом 10 буферного усилителя 11 и коллектором третьего выходного транзистора 12 промежуточного каскада, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада и шиной второго источника питания 14, а база подключена к базе четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада и коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is the cascode differential amplifier (CDA) described in US patent No. 6696888 containing the input differential stage 1, the first 2 and second 3 output transistors of the intermediate stage, the bases of which are connected to a bias voltage source 4, and emitters are connected to the outputs 5 and 6 of the input differential stage 1 and through the first 7 and second 8 current-stabilizing two-terminal circuits are connected to the bus of the first 9 power source, and the collector of the second output transistor 3 intermediate cascade connected to the input 10 of the buffer amplifier 11 and the collector of the third output transistor 12 of the intermediate stage, the emitter of which is connected to the emitter of the fourth 13 output transistor of the intermediate stage and the bus of the second power source 14, and the base is connected to the base of the fourth 13 output transistor of the intermediate stage and the collector of the first 2 output transistors of the intermediate stage.

Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет сравнительно большое значение эдс смещения нуля, что отрицательно сказывается на статических параметрах различных аналоговых устройств на его основе.A significant drawback of the known KDU (figure 1) is that it has a relatively large value of the emf of the zero offset, which negatively affects the static parameters of various analog devices based on it.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении эдс смещения нуля.The main objective of the invention is to reduce the emf bias zero.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 выходные транзисторы промежуточного каскада, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 4, а эмиттеры соединены с выходами 5 и 6 входного дифференциального каскада 1 и через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной первого 9 источника питания, причем коллектор второго выходного транзистора 3 промежуточного каскада соединен со входом 10 буферного усилителя 11 и коллектором третьего выходного транзистора 12 промежуточного каскада, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада и шиной второго источника питания 14, а база подключена к базе четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада и коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 15, база которого соединена с общей шиной первого 9 и второго 14 источников питания, коллектор подключен к эмиттеру первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, а эмиттер - соединен с коллектором четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада.This goal is achieved by the fact that in the cascode differential amplifier of Fig. 1, containing the input differential stage 1, the first 2 and second 3 output transistors of the intermediate stage, the bases of which are connected to a bias voltage source 4, and the emitters are connected to the outputs 5 and 6 of the input differential stage 1 and through the first 7 and second 8 current-stabilizing two-pole connected to the bus of the first 9 power source, and the collector of the second output transistor 3 of the intermediate stage is connected to the input 10 of the buffer amplifier Yelaya 11 and the collector of the third output transistor 12 of the intermediate stage, the emitter of which is connected to the emitter of the fourth 13 output transistor of the intermediate stage and the bus of the second power supply 14, and the base is connected to the base of the fourth 13 output transistor of the intermediate stage and the collector of the first 2 output transistor of the intermediate stage new elements and connections - an additional transistor 15 is introduced into the circuit, the base of which is connected to a common bus of the first 9 and second 14 power sources, the collector is connected It is connected to the emitter of the first 2 output transistor of the intermediate stage, and the emitter is connected to the collector of the fourth 13 output transistor of the intermediate stage.

Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы известного (фиг.3) и заявляемого (фиг.4) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.5, фиг.6 - зависимость эдс смещения нуля КДУ фиг.4 от напряжения дополнительного источника смещения 16 в крупном (фиг.5) и мелком (фиг.6) масштабах.The amplifier circuit of the prototype is presented in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims. Figure 3 and figure 4 shows a diagram of the known (figure 3) and the claimed (figure 4) devices in a computer simulation environment PSpice, and in figure 5, figure 6 - dependence of the voltage emf of the zero offset KDE of figure 4 on voltage an additional source of bias 16 in large (Fig. 5) and small (Fig. 6) scales.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 выходные транзисторы промежуточного каскада, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 4, а эмиттеры соединены с выходами 5 и 6 входного дифференциального каскада 1 и через первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной первого 9 источника питания, причем коллектор второго выходного транзистора 3 промежуточного каскада соединен со входом 10 буферного усилителя 11 и коллектором третьего выходного транзистора 12 промежуточного каскада, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада и шиной второго источника питания 14, а база подключена к базе четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада и коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада. В схему введен дополнительный транзистор 15, база которого соединена с общей шиной первого 9 и второго 14 источников питания, коллектор подключен к эмиттеру первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, а эмиттер - соединен с коллектором четвертого 13 выходного транзистора промежуточного каскада.The differential amplifier of figure 2 contains the input differential stage 1, the first 2 and second 3 output transistors of the intermediate stage, the bases of which are connected to a bias voltage source 4, and the emitters are connected to the outputs 5 and 6 of the input differential stage 1 and through the first 7 and second 8 are current stabilizing bipolar connected to the bus of the first 9 power source, and the collector of the second output transistor 3 of the intermediate stage is connected to the input 10 of the buffer amplifier 11 and the collector of the third output transistor 12 KSR stage, an emitter connected to the emitter of the fourth transistor 13 of the output of the intermediate stage and the second power supply bus 14, and the base connected to the base of the fourth output transistor 13 of the intermediate stage and the collector of the first output transistor 2 of the intermediate stage. An additional transistor 15 is introduced into the circuit, the base of which is connected to the common bus of the first 9 and second 14 power sources, the collector is connected to the emitter of the first 2 output transistor of the intermediate stage, and the emitter is connected to the collector of the fourth 13 output transistor of the intermediate stage.

В частном случае база дополнительного транзистора 15 может быть соединена с общей шиной источников питания 9 и 14 через дополнительный источник напряжения смещения 16 (фиг.2).In a particular case, the base of the additional transistor 15 can be connected to a common bus of power supplies 9 and 14 through an additional bias voltage source 16 (Fig. 2).

Рассмотрим работу заявляемого каскодного дифференциального усилителя на примере анализа схемы фиг.2.Consider the operation of the inventive cascode differential amplifier as an example of the analysis of the circuit of figure 2.

Статический режим по току КДУ фиг.2 устанавливается источником опорного тока I0 в эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1 и токостабилизирующими двухполюсниками 7 и 8. При этом токи в элементах схемы, соответствующие обозначениям на чертеже фиг.2, представляют собой следующее:The static current mode of the KDU of FIG. 2 is set by the reference current source I 0 in the emitter circuit of the input differential stage 1 and the current-stabilizing two-terminal 7 and 8. The currents in the circuit elements corresponding to the notation in the drawing of FIG. 2 are as follows:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

где Iкij - коллекторные токи транзисторов;where I кij - collector currents of transistors;

I5, I6 - статические токи выходов 5 и 6 КДУ;I 5 , I 6 - static currents of outputs 5 and 6 of the control panel;

I0 - статический ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1;I 0 is the static current of the common emitter circuit of the input differential stage 1;

β13≈β12 - статические коэффициенты передачи по току базы транзисторов 13 и 12.β 13 ≈ β 12 - static current transfer coefficients of the base of transistors 13 and 12.

Если β1312>>1, то вIf β 13 = β 12 >> 1, then in

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Статический режим по напряжению коллектор-база транзисторов 13 и 12 (при введении 100%-ной обратной связи с выхода буферного усилителя 11 на инвертирующий вход Вх.1(-)) зависит от напряжения на базе транзистора 15Static mode voltage of the collector-base transistors 13 and 12 (with the introduction of 100% feedback from the output of buffer amplifier 11 to the inverting input INP1 (-)) depends on the voltage on the base of transistor 15

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

где Е(-) - напряжение источника питания 14.where E (-) is the voltage of the power source 14.

Таким образом, за счет соответствующего выбора напряжения дополнительного источника смещения E16 на уровне Е16≈Uэб.15 можно получить одинаковые напряжения Uкб.13≈Uкб.12. Это позволяет обеспечить одинаковые смещения входных характеристик транзисторов 13 и 12, обусловленные влиянием эффекта Эрли и, как следствие, устранить одну из основных причин появления напряжения смещения нуля КДУ (Есм).Thus, due to the appropriate choice of the voltage of the additional bias source E 16 at the level of E 16 ≈U eb.15, it is possible to obtain the same voltage U kb.13 ≈U kb.12 . This allows you to ensure the same bias of the input characteristics of the transistors 13 and 12, due to the influence of the Earley effect and, as a result, eliminate one of the main reasons for the appearance of a voltage KDU zero offset (E cm ).

Компьютерное моделирование показывает, что в схеме КДУ-прототипа систематическая составляющая эдс смещения нуля принимает достаточно большое значение: Есм.п=4,4 мВ (фиг.4).Computer simulation shows that in the scheme of the KDU prototype, the systematic component of the emf of the zero bias takes on a fairly large value: E cm.n. = 4.4 mV (Fig. 4).

В заявляемом устройстве численные значения Есм зависят от напряжения E16 (фиг.5, фиг.6). Если E16=0, то Eсм.3=-103,7 мкВ. При Есм.3=0,7 В, Есм.3=+133 мкВ. Наименьшие значения Есм.3=1,6 мкВ получены при Е16=0,3 В. Следовательно, в схеме фиг.2 созданы условия, при которых устраняется систематическая ошибка усиления сигналов постоянного тока, обусловленная структурными особенностями КДУ. Это позволяет рекомендовать заявляемую схему для применения в составе прецизионных интерфейсов. За счет выбора величины напряжения E16 можно в широких пределах регулировать эдс смещения нуля КДУ.In the inventive device, the numerical values of E cm depend on the voltage E 16 (Fig. 5, Fig. 6). If E 16 = 0, then E cm . 3 = -103.7 μV. At E cm . 3 = 0.7 V, E cm . 3 = + 133 μV. The lowest values of E = 1.6 microvolts seet3 obtained at E 16 = 0.3 V. Thus, in Scheme 2 set conditions under which eliminates the systematic error amplification DC signals caused by the structural features of the DCD. This allows us to recommend the claimed circuit for use as part of precision interfaces. By choosing the voltage value E 16, it is possible to widely control the emf of the zero offset of the CDD.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.1. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M.: Radio and Communications, 1989. - p. 74, fig. 4.15, p. 98, fig. 6.7.

2. Патент США №6218900, фиг.1.2. US Patent No. 6218900, figure 1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.3. Patent application US 2002/0196079.

4. Патент США №6788143.4. US patent No. 6788143.

5. Патент США №3644838, фиг.2.5. US patent No. 3444838, figure 2.

6. Патент США Re 30587.6. US patent Re 30587.

7. Патент ЕР 1227580.7. Patent EP 1227580.

8. Патент США №6714076.8. US patent No. 6714076.

9. Патент США №5786729.9. US patent No. 5786729.

10. Патент США №5327100.10. US Patent No. 5327100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.11. Patent application US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4274061.12. US patent No. 4274061.

13. Патент США №5422600, фиг.2.13. US patent No. 5422600, figure 2.

14. Патент США №6788143, фиг.2.14. US patent No. 6788143, figure 2.

15. Патент США №4959622, фиг.1.15. US patent No. 4959622, figure 1.

16. Патент США №4406990, фиг.4.16. US patent No. 4406990, figure 4.

17. Патент США №5418491.17. US patent No. 5418491.

18. Патент США №6018268.18. US patent No. 6018268.

19. Патент США №5952882.19. US Patent No. 5952882.

20. Патент США №4723111.20. US patent No. 4723111.

21. Патент США №4293824.21. US patent No. 4293824.

22. Патент США №6580325.22. US patent No. 6580325.

23. Патент США №6965266.23. US patent No. 6965266.

24. Патент США №6867643.24. US patent No. 6867643.

25. Патент США №6236270.25. US Patent No. 6236270.

26. Патент США №5323121.26. US patent No. 5323121.

27. Патент США №6229394.27. US patent No. 6229394.

28. Патент США №5734296.28. US patent No. 5734296.

29. Патент США №5477190.29. US patent No. 5477190.

30. Патент США №5091701.30. US patent No. 5091701.

31. Патент США №6717474.31. US patent No. 6717474.

32. Патент США №6084475.32. US patent No. 6084475.

33. Патент США №3733559.33. US patent No. 3733559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.34. Patent application US 2005/0001682 A1.

35. Патент США №6300831.35. US patent No. 6300831.

Claims (2)

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) выходные транзисторы промежуточного каскада, базы которых подключены к источнику напряжения смещения (4), а эмиттеры соединены с выходами (5) и (6) входного дифференциального каскада (1) и через первый (7) и второй (8) токостабилизирующие двухполюсники связаны с шиной первого (9) источника питания, причем коллектор второго выходного транзистора (3) промежуточного каскада соединен со входом (10) буферного усилителя (11) и коллектором третьего выходного транзистора (12) промежуточного каскада, эмиттер которого соединен с эмиттером четвертого (13) выходного транзистора промежуточного каскада и шиной второго источника питания (14), а база подключена к базе четвертого (13) выходного транзистора промежуточного каскада и коллектору первого (2) выходного транзистора промежуточного каскада, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (15), база которого соединена с общей шиной первого (9) и второго (14) источников питания, коллектор подключен к эмиттеру первого (2) выходного транзистора промежуточного каскада, а эмиттер - соединен с коллектором четвертого (13) выходного транзистора промежуточного каскада.1. A cascode differential amplifier containing an input differential stage (1), first (2) and second (3) output transistors of the intermediate stage, the bases of which are connected to a bias voltage source (4), and the emitters are connected to outputs (5) and (6) ) of the input differential stage (1) and through the first (7) and second (8) current-stabilizing two-terminal circuits are connected to the bus of the first (9) power source, and the collector of the second output transistor (3) of the intermediate stage is connected to the input (10) of the buffer amplifier (11 ) and the third collector in the output transistor (12) of the intermediate stage, the emitter of which is connected to the emitter of the fourth (13) output transistor of the intermediate stage and the bus of the second power source (14), and the base is connected to the base of the fourth (13) output transistor of the intermediate stage and the collector of the first (2) output an intermediate stage transistor, characterized in that an additional transistor (15) is introduced into the circuit, the base of which is connected to a common bus of the first (9) and second (14) power sources, the collector is connected to the emitter of the first (2) output t anzistora intermediate stage, and an emitter - coupled to the collector of the fourth (13) output transistor of the intermediate stage. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что база дополнительного транзистора (15) соединена с общей шиной источников питания (9) и (14) через дополнительный источник напряжения смещения (16).2. The device according to claim 1, characterized in that the base of the additional transistor (15) is connected to a common bus of power sources (9) and (14) through an additional bias voltage source (16).
RU2006127793/09A 2006-07-31 2006-07-31 Cascade differential amplifier RU2319293C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006127793/09A RU2319293C1 (en) 2006-07-31 2006-07-31 Cascade differential amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006127793/09A RU2319293C1 (en) 2006-07-31 2006-07-31 Cascade differential amplifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2319293C1 true RU2319293C1 (en) 2008-03-10

Family

ID=39281122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006127793/09A RU2319293C1 (en) 2006-07-31 2006-07-31 Cascade differential amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2319293C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2354041C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2390916C1 (en) Precision operational amplifier
RU2319293C1 (en) Cascade differential amplifier
RU2368066C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2365029C1 (en) Cascode difference amplifier with low offset voltage
RU2321158C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2411637C1 (en) Precision operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2411636C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2412530C1 (en) Complementary differential amplifier
RU2393629C1 (en) Complementary cascode differential amplifier
RU2419187C1 (en) Cascode differential amplifier with increased zero level stability
RU2416149C1 (en) Differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2390912C2 (en) Cascode differential amplifier
RU2349023C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2331968C1 (en) Differential amplifier with high common mode rejection
RU2390914C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2402151C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2412528C1 (en) Cascode differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2449466C1 (en) Precision operational amplifier
RU2401508C1 (en) Differential operating amplifier with low zero-shift voltage
RU2411643C1 (en) Precision operational amplifier
RU2449465C1 (en) Precision operational amplifier
RU2426221C1 (en) Cascode differential operational amplifier with low zero offset voltage and high gain
RU2309531C1 (en) Differential amplifier with expanded range of cophased signal change
RU2402156C1 (en) Differential operational amplifier with low voltage of zero shift

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110801