RU2365029C1 - Cascode difference amplifier with low offset voltage - Google Patents
Cascode difference amplifier with low offset voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365029C1 RU2365029C1 RU2007144028/09A RU2007144028A RU2365029C1 RU 2365029 C1 RU2365029 C1 RU 2365029C1 RU 2007144028/09 A RU2007144028/09 A RU 2007144028/09A RU 2007144028 A RU2007144028 A RU 2007144028A RU 2365029 C1 RU2365029 C1 RU 2365029C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- collector
- transistor
- emitter
- current
- Prior art date
Links
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
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, операционных усилителях с малыми значениями э.д.с. 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 (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 100 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 by Russian (154UD3, etc.) microelectronic companies. Due to the high popularity of such a remote control architecture, more than 100 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 фирмы Texas Instruments (США) №6.304.143, содержащий первый 1 и второй 2 выходные транзисторы одного типа проводимости, объединенные базы которых подключены к источнику напряжения смещения 3, эмиттеры соединены с соответствующими токовыми входами 4, 5, а также первым 6 и вторым 7 токостабилизирующими двухполюсниками, третий 8 и четвертый 9 выходные транзисторы другого типа проводимости, эмиттеры которых объединены, а базы связаны друг с другом, причем коллектор четвертого 9 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 выходного транзистора и выходом 10 каскодного дифференциального усилителя, а коллектор первого выходного транзистора 1 соединен с коллектором третьего 8 выходного транзистора.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a cascode differential amplifier (CDA) described in the patent of Texas Instruments (USA) No. 6.304.143, containing the first 1 and second 2 output transistors of the same conductivity type, the combined bases of which are connected to a
Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет сравнительно большое значение напряжения смещения нуля (Uсм), 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 bias voltage zero (U cm ), which negatively affects the static parameters of various analog devices based on it.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля.The main objective of the invention is to reduce the bias voltage of zero.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 выходные транзисторы одного типа проводимости, объединенные базы которых подключены к источнику напряжения смещения 3, эмиттеры соединены с соответствующими токовыми входами 4, 5, а также первым 6 и вторым 7 токостабилизирующими двухполюсниками, третий 8 и четвертый 9 выходные транзисторы другого типа проводимости, эмиттеры которых объединены, а базы связаны друг с другом, причем коллектор четвертого 9 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 выходного транзистора и выходом 10 каскодного дифференциального усилителя, а коллектор первого выходного транзистора 1 соединен с коллектором третьего 8 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен согласующий повторитель тока 11, вход 12 которого соединен с объединенными коллекторами первого 1 и третьего 8 выходных транзисторов, общий выход 13 подключен к объединенным базам третьего 8 и четвертого 9 выходных транзисторов, а выход 14 связан с эмиттером второго 2 выходного транзистора.This goal is achieved by the fact that in the cascode differential amplifier of figure 1, containing the first 1 and second 2 output transistors of the same conductivity type, the combined bases of which are connected to a
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 формулы изобретения. На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, показан частный случай выполнения согласующего повторителя тока 11, который содержит первый 15 дополнительный транзистор, эмиттер которого соединен через источник опорного напряжения 16 с общим выходом 13 согласующего повторителя тока 11 и вспомогательным источником тока 17, база является входом 12 согласующего повторителя тока 11, коллектор подключен к эмиттеру второго дополнительного транзистора 18, причем база второго дополнительного транзистора 18 является выходом 14 согласующего повторителя тока 11, а коллектор транзистора 18 соединен с источником питания 19.The amplifier circuit of the prototype is shown in the drawing of figure 1. The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На чертеже фиг.4, соответствующем п.4 формулы изобретения, показан другой частный случай выполнения согласующего повторителя тока 11, который содержит цепь смещения 20, включенную между входом 12 согласующего повторителя тока 11 и дополнительным p-n переходом 21, выходной вспомогательный транзистор 22, база которого подключена к первому выводу дополнительного p-n перехода 21 и цепи смещения 20, эмиттер соединен с общим выходом 13 согласующего повторителя тока 11 и вторым выводом дополнительного p-n перехода 21, а коллектор является выходом 14 согласующего повторителя тока 11. В частном случае (фиг.4б) цепь смещения реализована на транзисторе.The drawing of figure 4, corresponding to
На чертеже фиг.5 представлена схема КДУ, в котором согласующий повторитель тока 11 реализован в соответствии с фиг.3.The drawing of figure 5 presents a diagram of the CDA, in which the matching
Схема операционного усилителя на базе предлагаемого КДУ с входным каскадом на элементах 23 и 24 и выходным каскадом на основе типового буферного усилителя 25 для случая, когда согласующий повторитель тока 11 соответствует фиг.4, показана на чертеже фиг.6.A diagram of an operational amplifier based on the proposed CDA with an input stage on
Другой частный случай КДУ фиг.2 при выполнении согласующего повторителя тока 11 в соответствии со схемой фиг.4а представлен на чертеже фиг.7.Another special case of the CDA of FIG. 2 when performing matching
Схема КДУ-прототипа в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» показана на чертеже фиг.8. В этой схеме Uсм=-10,2 мВ.The scheme of the KDU prototype in the PSpice environment on the models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar is shown in the drawing of Fig. 8. In this scheme, U cm = -10.2 mV.
Схема предлагаемого КДУ фиг.6 в среде PSpice показана на чертеже фиг.9. В этой схеме без каких-либо регулировок Uсм=713 мкв.A diagram of the proposed CDD of FIG. 6 in a PSpice environment is shown in FIG. 9. In this circuit, without any adjustments, U cm = 713 μV.
На чертеже фиг.10а представлена макромодель p-n-p транзистора минского НПО «Интеграл», а на чертеже фиг.10б - зависимость его β от тока коллектора.In the drawing of FIG. 10a, the pnp transistor macromodel of the Minsk NGO Integral is shown, and in the drawing of FIG. 10b, its β is dependent on the collector current.
На чертеже фиг.11 показана модель операционного усилителя на основе КДУ-прототипа на интегральных транзисторах минского НПО «Интеграл». Здесь Uсм=1,74 мВ.The drawing of Fig. 11 shows a model of an operational amplifier based on a KDU prototype on integrated transistors of the Minsk NGO Integral. Here U cm = 1.74 mV.
На чертеже фиг.12 показана схема ОУ на базе заявляемого КДУ фиг.5 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов НПО «Интеграл». Здесь Uсм=113,5 мкВ.The drawing of Fig. 12 shows a diagram of an op-amp based on the inventive KDU of Fig. 5 in a PSpice environment on models of integrated transistors of NPO Integral. Here U cm = 113.5 μV.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 выходные транзисторы одного типа проводимости, объединенные базы которых подключены к источнику напряжения смещения 3, а эмиттеры соединены с соответствующими токовыми входами 4, 5, а также первым 6 и вторым 7 токостабилизирующими двухполюсниками, третий 8 и четвертый 9 выходные транзисторы другого типа проводимости, эмиттеры которых объединены, а базы связаны друг с другом, причем коллектор четвертого 9 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 выходного транзистора и выходом 10 каскодного дифференциального усилителя, а коллектор первого выходного транзистора 1 соединен с коллектором третьего 8 выходного транзистора. В схему введен согласующий повторитель тока 11, вход 12 которого соединен с объединенными коллекторами первого 1 и третьего 8 выходных транзисторов, общий выход 13 подключен к объединенным базам третьего 8 и четвертого 9 выходных транзисторов, а выход 14 связан с эмиттером второго 2 выходного транзистора.The differential amplifier of figure 2 contains the first 1 and second 2 output transistors of the same type of conductivity, the combined bases of which are connected to a
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 двухполюсниками 6 и 7 с учетом токов входов 14 и 15, формируемых источником сигнала. При этом токи в элементах схемы, соответствующие обозначениям на чертеже фиг.2 при идентичных напряжениях коллектор-эмиттер транзисторов 8 и 9 Uкэ.8=Uкэ.9 (п.2 формулы изобретения)The static current mode of the KDU of FIG. 2 is set by
Iк1=α1I0,I k1 = α 1 I 0 ,
Iк2=α2(I0-I14),I k2 = α 2 (I 0 -I 14 ),
Iк8=Iк1-I12=α1I0-I12,I k8 = I k1 -I 12 = α 1 I 0 -I 12 ,
Iэ8=α8 -1(α1I0-I12)=Iэ9,I e8 = α 8 -1 (α 1 I 0 -I 12 ) = I e9 ,
I14=I12Ki12.11,I 14 = I 12 K i12.11 ,
I9=α9Iэ9,I 9 = α 9 I e9 ,
где Iкij - коллекторные токи транзисторов;where I кij - collector currents of transistors;
I4, I5 - статические токи входов 4 и 5 КДУ;I 4 , I 5 - static currents of
αi≈1 - статические коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов КДУ;α i ≈1 - static current transfer coefficients of the emitter of transistors KDU;
- коэффициент передачи по току согласующего повторителя тока 11. - current transfer coefficient matching
Таким образом, ток ошибки в нагрузке Rн КДУ фиг.2Thus, the error current in the load R n KDU figure 2
. .
После преобразований последнюю формулу можно представить в видеAfter transformations, the last formula can be represented as
, ,
где ;Where ;
. .
В схеме КДУ-прототипа Kcom=0, так как отсутствует дополнительная передача тока I12 на выход КДУ.In the circuit of the KDU prototype K com = 0, since there is no additional transmission of current I 12 to the output of the KDU.
В заявляемом устройстве при α1=α2, α9=α8 ток в нагрузке, обусловленный структурными погрешностями схемы, существенно уменьшаетсяIn the inventive device with α 1 = α 2 , α 9 = α 8, the current in the load due to structural errors of the circuit is significantly reduced
Iн.0=I12(1-Kcom)<<I12.I n.0 = I 12 (1-K com ) << I 12 .
Это уменьшает одну составляющую напряжения смещения нуля в Nc-раз, гдеThis reduces one component of the zero bias voltage in N c times, where
. .
Кроме этого за счет повышения симметрии статического режима по напряжению коллектор-эмиттер транзисторов 8 и 9 Uкэ.8=Uкэ.9 (п.2 формулы изобретения) уменьшается другая составляющая Uсм, которая обусловлена внутренней обратной связью в транзисторах (эффектом Эрли).In addition, by increasing the symmetry of the static mode in voltage, the collector-emitter of
Как показывает компьютерное моделирование, в предлагаемом КДУ Uсм уменьшается без каких-либо регулировок более чем на порядок.As computer modeling shows, in the proposed KDU, U cm decreases without any adjustments by more than an order of magnitude.
Данный вывод справедлив для КДУ, выполненных как на интегральных транзисторах минского НПО «Интеграл», так и транзисторах ФГУП НПП «Пульсар».This conclusion is valid for CDUs made both on integrated transistors of the Minsk NPO Integral and on transistors of the FSUE NPP Pulsar.
Следовательно, в схеме фиг.2 созданы условия, при которых устраняется систематическая ошибка усиления сигналов постоянного тока, обусловленная структурными особенностями КДУ.Therefore, in the circuit of FIG. 2, conditions are created under which the systematic error of amplification of the DC signals is eliminated due to the structural features 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 №6.218.900, фиг.12. US Patent No. 6,218.900, figure 1
3. Патентная заявка US 2002/01960793. Patent application US 2002/0196079
4. Патент США №6.788.1434. US Patent No. 6,788.143
5. Патент США №3.644.838, фиг.25. US Patent No. 3,644.838, figure 2
6. Патент США Re 30.5876. US Patent Re 30.587
7. Патент ЕР 1.227.5807. Patent EP 1.227.580
8. Патент США №6.714.0768. US Patent No. 6,714.076
9. Патент США №5.786.7299. US Patent No. 5,786.729
10. Патент США №5.327.10010. US Patent No. 5,327,100
11. Патентная заявка US 2004/0090268 A111. Patent application US 2004/0090268 A1
12. Патент США №4.274.06112. US Patent No. 4,274.061
13. Патент США №5.422.600, фиг.213. US patent No. 5.422.600, figure 2
14. Патент США №6.788.143, фиг.214. US patent No. 6.788.143, figure 2
15. Патент США №4.959.622, фиг.115. US patent No. 4.959.622, figure 1
16. Патент США №4.406.990, фиг.416. US Patent No. 4,406.990, figure 4
17. Патент США №5.418.49117. US Patent No. 5,418,491
18. Патент США №6.018.26818. US Patent No. 6.018.268
19. Патент США №5.952.88219. US Patent No. 5,952.882
20. Патент США №4.723.11120. US patent No. 4.723.111
21. Патент США №4.293.82421. US Patent No. 4,293.824
22. Патент США №6.580.32522. US Patent No. 6,580.325
23. Патент США №6.965.26623. US Patent No. 6.965.266
24. Патент США №6.867.64324. US Patent No. 6,867.643
25. Патент США №6.236.27025. US Patent No. 6,236.270
26. Патент США №5.323.12126. US Patent No. 5,323.121
27. Патент США №6.229.39427. US Patent No. 6,229.394
28. Патент США №5.734.29628. US Patent No. 5,734.296
29. Патент США №5.477.19029. US Patent No. 5,477.190
30. Патент США №5.091.70130. US patent No. 5.091.701
31. Патент США №6.717.47431. US patent No. 6.717.474
32. Патент США №6.084.47532. US patent No. 6.084.475
33. Патент США №3.733.55933. US patent No. 3.733.559
34. Патентная заявка US 2005/0001682 A134. Patent application US 2005/0001682 A1
35. Патент США №6.300.83135. US Patent No. 6,300.831
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007144028/09A RU2365029C1 (en) | 2007-11-27 | 2007-11-27 | Cascode difference amplifier with low offset voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007144028/09A RU2365029C1 (en) | 2007-11-27 | 2007-11-27 | Cascode difference amplifier with low offset voltage |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007144028A RU2007144028A (en) | 2009-06-10 |
RU2365029C1 true RU2365029C1 (en) | 2009-08-20 |
Family
ID=41024103
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007144028/09A RU2365029C1 (en) | 2007-11-27 | 2007-11-27 | Cascode difference amplifier with low offset voltage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2365029C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460206C1 (en) * | 2011-01-24 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Cascode microwave amplifier with low supply voltage |
RU2504896C1 (en) * | 2012-08-14 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Input stage of high-speed operational amplifier |
-
2007
- 2007-11-27 RU RU2007144028/09A patent/RU2365029C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2460206C1 (en) * | 2011-01-24 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Cascode microwave amplifier with low supply voltage |
RU2504896C1 (en) * | 2012-08-14 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Input stage of high-speed operational amplifier |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007144028A (en) | 2009-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2365969C1 (en) | Current mirror | |
RU2365029C1 (en) | Cascode difference amplifier with low offset voltage | |
RU2354041C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2416146C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2368066C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2412530C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2390912C2 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2368064C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2414808C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2367996C1 (en) | Current mirror | |
RU2393629C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2319293C1 (en) | Cascade differential amplifier | |
RU2331972C1 (en) | Differential amplifier with high voltage amplification factor | |
RU2390914C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2426221C1 (en) | Cascode differential operational amplifier with low zero offset voltage and high gain | |
RU2412528C1 (en) | Cascode differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2449466C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2331968C1 (en) | Differential amplifier with high common mode rejection | |
RU2374758C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier | |
RU2337471C1 (en) | Cascode amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121128 |