RU2411643C1

RU2411643C1 - Precision operational amplifier

Info

Publication number: RU2411643C1
Application number: RU2009130263/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Александр Игоревич Серебряков (RU); Александр Игоревич Серебряков; Андрей Александрович Сильнов (RU); Андрей Александрович Сильнов
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-02-10

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: operational amplifier (OA) comprises input differential cascade (DC) (1) with the first (2) and second (3) current outputs, matched accordingly with bus of positive (4) and negative (5) sources of supply, the first (6) and second (7) input transistors (T) of buffer cascade with combined bases, the first (8) and second (9) output T of buffer cascade, combined emitters of which are connected to output (10) of OA, the first (11) current-stabilising dipole (CD), connected to emitter of T (7) and base of T (8), the second CD (12), connected to emitter of T (6) and basis of T (9). Circuit includes the first (13) and second (14) additional T, collectors of which are connected to bases T (6) and T (7), emitter T (13) is connected to the first (2) current output of DC (1), emitter T (14) is connected to the second (3) current output of DC (1), and bases of T (13) and T (14) are connected with output (10) of OA.

EFFECT: reduced voltage of zero shift under conditions of spread of transistor base current amplification ratio, their temperature and radiation dependence.

7 dwg

Description

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.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 interfaces for various functional purposes.

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.One of the classic options for constructing operational amplifiers is circuits containing an input differential stage and an output stage based on the so-called "diamond" transistors, which became the basis of modern analog microcircuits [1-10]. The alleged invention relates to this class of devices.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель, представленный в патенте США №5479133, fig.5. Эта архитектура присутствует в большем числе других патентов [1-10].The closest prototype of the claimed device is an operational amplifier, presented in US patent No. 5479133, fig.5. This architecture is present in a larger number of other patents [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.A significant drawback of the known operational amplifier (op-amp) (FIG. 1 - FIG. 2) is that it has an increased value of zero bias voltage (U _cm ) due to the influence of the buffer cascade on U _cm .

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения смещения нуля в условиях разброса коэффициента усиления тока базы (β) n-p-n и p-n-p транзисторов буферного каскада, а также их температурной и радиационной зависимости.The main objective of the proposed invention is to reduce the bias voltage of zero under the conditions of the spread of the gain of the base current (β) n-p-n and p-n-p transistors of the buffer cascade, as well as their temperature and radiation dependence.

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.The problem is achieved in that in the operational amplifier (Fig. 1 - Fig. 2), containing the input differential stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, matched respectively with the bus positive 4 and negative 5 power sources, the first 6 and second 7 input transistors of the buffer stage with integrated bases, the first 8 and second 9 output transistors of the buffer stage, the combined emitters of which are connected to the output 10 of the device, the first 11 current-stabilizing two-terminal connected to the emitter of the second 7 input about the buffer cascade transistor and the base of the first 8 output buffer transistor transistor, the second 12 current-stabilizing two-terminal connected to the emitter of the first 6 buffer transistor input transistor and the base of the second 9 output buffer transistor transistor, new elements and connections are provided - the first 13 and second 14 are introduced into the circuit additional transistors, the collectors of which are connected to the bases of the first 6 and second 7 input transistors of the buffer stage, the emitter of the first 13 additional transistor is connected to the first 2 current in stroke differential input stage 1, an emitter of the second additional transistor 14 connected to the second current output 3 of the differential input stage 1, and the base 13 of the first and second additional transistors 14 are connected to the output 10 of the device.

На фиг.2 приведена обобщенная схема ОУ-прототипа, соответствующая фиг.1. На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.Figure 2 shows a generalized diagram of an op-amp prototype corresponding to figure 1. Figure 3 shows a diagram of the inventive device in accordance with the claims.

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".In Fig.4 and Fig.5 shows a diagram of the op-amp of the prototype (Fig.4) and the inventive device (Fig.5) in the environment of computer simulation PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На фиг.6 и фиг.7 приведены графики температурных зависимостей U_см сравниваемых ОУ фиг.3 (прототип) и фиг.4 (заявляемый ОУ).In Fig.6 and Fig.7 shows graphs of the temperature dependences of U _cm compared DU of Fig.3 (prototype) and Fig.4 (claimed DU).

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.The operational amplifier of figure 3 contains an input differential stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, matched respectively with the bus positive 4 and negative 5 power sources, the first 6 and second 7 input transistors of the buffer cascade with combined bases, the first 8 and second 9 output buffer cascade transistors, the combined emitters of which are connected to the output 10 of the device, the first 11 current-stabilizing two-terminal connected to the emitter of the second 7 input transistor of the buffer cascade and the base of the first 8 output one transistor of the buffer cascade, the second 12 current-stabilizing two-terminal connected to the emitter of the first 6 input transistor of the buffer cascade and the base of the second 9 output transistor of the buffer cascade. The first 13 and second 14 additional transistors are introduced into the circuit, the collectors of which are connected to the bases of the first 6 and second 7 input transistors of the buffer stage, the emitter of the first 13 additional transistor is connected to the first 2 current output of the input differential stage 1, the emitter of the second 14 additional transistor is connected to the second 3 by the current output of the input differential stage 1, and the bases of the first 13 and second 14 additional transistors are connected to the output 10 of the device.

Рассмотрим работу ОУ фиг.2 и фиг.3.Consider the operation of the opamp 2 and 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 β транзисторов 6 (β₆) и 7 (β₇) и их статического режима, устанавливаемого двухполюсниками 11 (I₁₁) и 12 (I₁₂) (I₁₂=I₁₁=I₀):The zero bias voltage of the op-amp of FIG. 2 (U _cm ) with an ideal input stage 1, i.e. which does not introduce errors in amplification of DC signals, depends on the spread of β transistors 6 (β ₆ ) and 7 (β ₇ ) and their static mode, set by two-terminal 11 (I ₁₁ ) and 12 (I ₁₂ ) (I ₁₂ = I ₁₁ = I ₀ ):

где

,

- токи базы транзисторов 6 и 7,Where

,

- base currents of

transistors

6 and 7,

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

- the steepness of the conversion of the input voltage of the op-amp of figure 2 into the output current of the node "A" with its short circuit to the equipotential common bus.

При воздействии радиации или температуры β 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 β.When exposed to radiation or temperature β npn and pnp transistors 6 and 7 significantly degrade. Moreover, they vary according to different laws. As a result, the op-amp prototype has increased values of U _cm and its drift even with an ideal input stage and especially with large scatter of β.

В предлагаемом ОУ фиг.3 разностный ток в узле «А»In the proposed opamp 3, the differential current in the node "A"

где I_к13, I_к14 - коллекторные токи транзисторов 13 и 14.where I _k13 , I _k14 - collector currents of transistors 13 and 14.

После преобразования (2) можно найти:After transformation (2), you can find:

Так как для транзисторов одного типа проводимости β₁₃=β₇, β₆=β₁₄, причем эти параметры изменяются (при температурных и радиационных воздействиях) по одинаковым законам, то в (5) I_р≈0 и поэтому U_см≈0.Since for transistors of the same type of conductivity β ₁₃ = β ₇ , β ₆ = β ₁₄ , and these parameters change (under temperature and radiation influences) according to the same laws, then in (5) I _p ≈ 0 and therefore U _cm ≈ 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.These findings are confirmed by the graphs of Fig.6 and Fig.8, from which it follows that the claimed circuit op-amp has more than 10 times lower values of the bias voltage zero.

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

.A remarkable feature of the proposed op-amp is that when new elements are introduced, the maximum possible amplitude of its output voltage

differs (as with the prototype) from the supply voltage

no more than 1 ÷ 1.2 V. This is a very significant advantage of the circuit for small

.

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется более высокими качественными показателями.Thus, the claimed device is characterized by higher quality indicators.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №6281752, fig.5a.1. US patent No. 6281752, fig.5a.

2. Патент США №6304143, fig.3.2. US Patent No. 6,304,143, fig. 3.

3. Патент США №5786729, fig.1.3. US patent No. 5786729, fig. 1.

4. Патент США №6268769, fig.3.4. US Patent No. 6268769, fig. 3.

5. Патент США №5128631.5. US Patent No. 5128631.

6. Патент США №5374897, fig.7.6. US patent No. 5374897, fig. 7.

7. Патент США №4837523, fig.2.7. US patent No. 4837523, fig.2.

8. А. С. СССР №1506512.8. A. S. USSR No. 1506512.

9. Патент США №5512859.9. US Patent No. 5512859.

10. Патент США №5627495.10. US patent No. 5627495.

Claims

A precision operational amplifier with a low zero bias voltage, containing an input differential stage (1) with the first (2) and second (3) current outputs, matched respectively to the bus of positive (4) and negative (5) power sources, the first (6) and second (7) input transistors of the buffer cascade with integrated bases, the first (8) and second (9) output transistors of the buffer cascade, the combined emitters of which are connected to the output (10) of the device, the first (11) current-stabilizing two-terminal connected to the emitter of the second (7 ) at one transistor of the buffer cascade and the base of the first (8) output transistor of the buffer cascade, the second (12) current-stabilizing two-terminal connected to the emitter of the first (6) input transistor of the buffer cascade and the base of the second (9) output transistor of the buffer cascade, characterized in that in the circuit introduced the first (13) and second (14) additional transistors, the collectors of which are connected to the bases of the first (6) and second (7) input transistors of the buffer stage, the emitter of the first (13) additional transistor is connected to the first (2) current in by the input differential stage (1), the emitter of the second (14) additional transistor is connected to the second (3) current output of the input differential stage (1), and the bases of the first (13) and second (14) additional transistors are connected to the output (10) of the device .