RU2449466C1 - Precision operational amplifier - Google Patents
Precision operational amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2449466C1 RU2449466C1 RU2011111677/08A RU2011111677A RU2449466C1 RU 2449466 C1 RU2449466 C1 RU 2449466C1 RU 2011111677/08 A RU2011111677/08 A RU 2011111677/08A RU 2011111677 A RU2011111677 A RU 2011111677A RU 2449466 C1 RU2449466 C1 RU 2449466C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- bus
- output
- emitter
- operational amplifier
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method 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.The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes.
В современной микроэлектронике широко используется архитектура операционных усилителей (ОУ) на основе каскодных токовых зеркал (ТЗ) с их несимметричным включением [1-5]. Такие ОУ имеют следующие достоинства:In modern microelectronics, the architecture of operational amplifiers (op amps) based on cascode current mirrors (TK) with their asymmetric inclusion is widely used [1-5]. Such op amps have the following advantages:
- высокий коэффициент усиления по напряжению, что обусловлено повышенным выходным сопротивлением каскодного ТЗ;- high voltage gain, due to the increased output resistance of cascode TK;
- большой диапазон изменения выходного напряжения (опция rail-to-rail);- large range of output voltage variation (rail-to-rail option);
- хорошие частотные характеристики благодаря каскодному токовому зеркалу.- Good frequency response due to cascode current mirror.
Данные преимущества реализованы в ряде серийных ОУ (154УД1, НА2700, 154УД4 и др.). Однако ОУ данного подкласса имеют сравнительно большой уровень напряжения смещения нуля (Uсм) и его температурный дрейф.These advantages are realized in a number of serial op-amps (154UD1, NA2700, 154UD4, etc.). However, the opamps of this subclass have a relatively large level of zero bias voltage (U cm ) and its temperature drift.
Следует также отметить, что ОУ с другими вариантами построения токовых зеркал и их несимметричным включением достаточно популярны в аналоговой микросхемотехнике (WO 2002/047257, US 6.657.465, US 6.844.781, US 7.782.139 fig.5, US 4.366.442, US 4.433.302, US 4.262,261, US 2006/0012432 fig.6, US 2006/0006910 fig.11, US 2008/0032656 fig.6 и др.).It should also be noted that op-amps with other options for constructing current mirrors and their asymmetric inclusion are quite popular in analog microcircuitry (WO 2002/047257, US 6.657.465, US 6.844.781, US 7.782.139 fig.5, US 4.366.442, US 4.433.302, US 4.262,261, US 2006/0012432 fig. 6, US 2006/0006910 fig. 11, US 2008/0032656 fig. 6, etc.).
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является ОУ 154УД4, представленный в монографии В.В.Матавкина «Быстродействующие операционные усилители». - М., Радио и связь, 1989. - С.100. - Рис.6.9. Такая же архитектура представлена в работе [5], в которой, однако, выходной буферный усилитель обозначен эквивалентной нагрузкой.The closest prototype (Fig. 1) of the claimed device is OU 154UD4, presented in the monograph by V.V. Matavkin “High-speed operational amplifiers”. - M., Radio and communications, 1989. - S. 100. - Fig. 6.9. The same architecture is presented in [5], in which, however, the output buffer amplifier is indicated by the equivalent load.
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм), связанной с несимметрией его архитектуры.A significant disadvantage of the known op-amp of FIG. 1 is that it has an increased value of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ) associated with the asymmetry of its architecture.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении абсолютного значения Uсм, а также его температурного и радиационного дрейфа.The main objective of the invention is to reduce the absolute value of U cm , as well as its temperature and radiation drift.
Поставленная задача решается тем, что в прецизионном операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первую шину питания 4, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, а база соединена с первой 4 шиной источника питания через прямосмещенный p-n переход 6, второй 7 выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого 5 выходного транзистора, а коллектор через токостабилизирующий двухполюсник 8 связан со второй 9 шиной источника питания и входом буферного усилителя 10, причем вторая 9 шина источника питания связана с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, коллектор соединен с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер связан с выходом 12 дополнительного источника опорного тока 13.The problem is solved in that in the precision operational amplifier of figure 1, containing the input
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.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.3 показана схема, соответствующая п.3 формулы изобретения.The drawing of figure 3 shows a diagram corresponding to
На чертеже фиг.4 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг.5 - схема предлагаемого ОУ фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 (Транзисторы: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk1.3, ОАО "МНИПИ").The drawing of Fig. 4 shows a diagram of an op-amp prototype, and Fig. 5 is a diagram of a proposed opamp of Fig. 2 in a PSpice environment on models of integrated transistors ABMK_1_3 (Transistors: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk1.3, OJSC "MNIPI") .
На чертеже фиг.6 показана температурная зависимость выходного напряжения Uсм сравниваемых ОУ фиг.4, фиг.5. На чертеже фиг.7 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ОУ фиг.4 и фиг.5,The drawing of Fig.6 shows the temperature dependence of the output voltage U cm compared
На чертеже фиг.8 приведена предлагаемая схема ОУ фиг.3 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 (Транзисторы: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk1.3, ОАО "МНИПИ").The drawing of Fig. 8 shows the proposed circuit of the op-amp of Fig. 3 in the PSpice environment on the models of integrated transistors ABMK_1_3 (Transistors: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk1.3, OJSC "MNIPI").
На чертеже фиг.9 представлена температурная зависимость выходного напряжения Uсм сравниваемых ОУ фиг.4 и фиг.8.The drawing of Fig.9 shows the temperature dependence of the output voltage U cm compared opamp of Fig.4 and Fig.8.
Прецизионный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первую шину питания 4, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, а база соединена с первой 4 шиной источника питания через прямосмещенный p-n переход 6, второй 7 выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого 5 выходного транзистора, а коллектор через токостабилизирующий двухполюсник 8 связан со второй 9 шиной источника питания и входом буферного усилителя 10, причем вторая 9 шина источника питания связана с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1. В схему введен дополнительный транзистор 11, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, коллектор соединен с первой 4 шиной источника питания, а эмиттер связан с выходом 12 дополнительного источника опорного тока 13. В частном случае (фиг.2) входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 14, 15 и источнике тока 16.The precision operational amplifier of FIG. 2 comprises an input
Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с первой 4 шиной источника питания через вспомогательный p-n переход 17.In addition, in the drawing of FIG. 2, in accordance with
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве дополнительного источника опорного тока 13 используется первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1.In the drawing of figure 3, in accordance with
Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля (Uсм) в схеме фиг.2, т.е. зависящие от схемотехники ОУ.Consider the factors that determine the systematic component of the bias voltage zero (U cm ) in the circuit of figure 2, i.e. circuit-dependent op amps.
Если ток двухполюсника 16 равен величине 2I0, двухполюсника 13 - x1I0, двухполюсника 18 - величине I0, то токи эмиттеров (Iэi) и коллекторов (Iкi) транзисторов схемы, а также токи p-n переходов 6 (I6) и 17 (I17):If the current of the two-
где Iбi=Iэi/βi - ток базы n-p-n (Iбр) или p-n-p (Iбn) транзисторов при эмиттерном токе Iэi=I0;where I bi = I ei / β i is the base current of npn (I br ) or pnp (I bn ) transistors with an emitter current I ei = I 0 ;
βi - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора;β i is the current gain of the base of the i-th transistor;
x1 - масштабный коэффициент тока двухполюсника 13.x 1 is the scaled current coefficient of the two-
Поэтому разность токов в узле «А» при его коротком замыкании на эквипотенциальную общую шинуTherefore, the current difference in the node "A" when it is shorted to the equipotential common bus
где IБУ=xpIбр-xnIбn;where I BU = x p I br -x n I bn ;
xp, xn - масштабные коэффициенты противоположно направленных составляющих (Iбр, Iбn) входного тока IБУ буферного усилителя 10, в качестве которого целесообразно использовать классические комплементарные эммттерные повторители (фиг.5, фиг.4).x p , x n are the scale factors of the oppositely directed components (I br , I bn ) of the input current I BU of the buffer amplifier 10, for which it is advisable to use the classic complementary emitter repeaters (Fig. 5, Fig. 4).
Таким образом, как это следует из (6), в заявляемом устройстве при выполнении условия хn=3, xp=x1-1 уменьшается систематическая составляющая Uсм, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной (или температурной) зависимостью (xp≈0). Как следствие, это уменьшает Uсм, так как разностный ток Iр в узле «А» создает Uсм, зависящее от крутизны (S) преобразования входного дифференциального напряжения ОУ (uвх) в выходной ток узла «А»:Thus, as follows from (6), in the inventive device, when the condition x n = 3, x p = x 1 -1 is satisfied, the systematic component U cm decreases due to the finite value of β transistors and its radiation (or temperature) dependence (x p ≈0). As a result, this reduces U cm , since the differential current I p in the node “A” creates U cm , which depends on the steepness (S) of the conversion of the input differential voltage of the op-amp (u in ) to the output current of the node “A”:
где rэ14=rэ15 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 14 и 15 входного дифференциального каскада 1.where r e14 = r e15 - resistance of the emitter junctions of the
Поэтому для схемы фиг.2Therefore, for the circuit of FIG. 2
где φт=26 мВ - температурный потенциал.where φ t = 26 mV is the temperature potential.
В ОУ-прототипе фиг.1 Ip≠0, поэтому здесь систематическая составляющая Uсм получается как минимум на порядок больше, чем в заявляемой схеме.In the op-amp prototype of figure 1, I p ≠ 0, therefore, here the systematic component U cm is obtained at least an order of magnitude more than in the claimed scheme.
Введение p-n перехода 17 обеспечивает дальнейшее уменьшение температурного дрейфа Uсм за счет симметрирования статического режима по напряжению коллектор-база транзисторов 14 и 15, что ослабляет влияние на Uсм внутренней обратной связи.The introduction of the pn junction 17 provides a further decrease in the temperature drift of U cm due to the balancing of the static regime with respect to the collector-base voltage of
Компьютерное моделирование схем фиг.4, фиг.5 подтверждает (фиг.6) данные теоретические выводы. Несмотря на изменение β транзисторов вследствие внешних воздействий предлагаемый ОУ более чем в 50 раз имеет меньшее напряжение смещения нуля, чем ОУ-прототип. Аналогичными свойствами обладает и схема фиг.3 (см. фиг.9).Computer simulation of the circuits of Fig. 4, Fig. 5 confirms (Fig. 6) these theoretical conclusions. Despite the change in β transistors due to external influences, the proposed op-amp is more than 50 times lower in bias voltage than the op-amp. Similar properties are possessed by the diagram of FIG.
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине статической ошибки усиления сигналов постоянного тока и может использоваться в качестве IP-модулей прецизионных интерфейсов.Thus, the claimed device has significant advantages in comparison with the prototype in terms of the value of the static error of amplification of DC signals and can be used as IP modules of precision interfaces.
ЛитератураLiterature
1. Патент RU 1160530.1. Patent RU 1160530.
2. Патент RU 2193273 фиг.2.2. Patent RU 2193273 figure 2.
3. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.100. - Рис.6.9.3. Matavkin VV High-speed operational amplifiers. - M., Radio and communications, 1989. - S. 100. - Fig. 6.9.
4. Матавкин В.В.. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.75. - Рис.4.16.4. Matavkin VV. High-speed operational amplifiers. - M., Radio and communications, 1989. - P.75. - Fig. 4.16.
5. Матавкин В.В.. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.30. - Рис.2.12а.5. Matavkin VV. High-speed operational amplifiers. - M., Radio and communications, 1989. - P.30. - Fig. 2.12a.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011111677/08A RU2449466C1 (en) | 2011-03-28 | 2011-03-28 | Precision operational amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011111677/08A RU2449466C1 (en) | 2011-03-28 | 2011-03-28 | Precision operational amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2449466C1 true RU2449466C1 (en) | 2012-04-27 |
Family
ID=46297692
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011111677/08A RU2449466C1 (en) | 2011-03-28 | 2011-03-28 | Precision operational amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2449466C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2531530C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) | Adaptive integrating synchronisation device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2193273C2 (en) * | 2000-06-08 | 2002-11-20 | Акционерное общество открытого типа "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Push-pull operational amplifier |
US6788143B1 (en) * | 2002-04-29 | 2004-09-07 | National Semiconductor Corporation | Cascode stage for an operational amplifier |
RU2321159C1 (en) * | 2006-10-09 | 2008-03-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Cascode differential amplifier |
RU2390916C1 (en) * | 2009-02-02 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Precision operational amplifier |
-
2011
- 2011-03-28 RU RU2011111677/08A patent/RU2449466C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2193273C2 (en) * | 2000-06-08 | 2002-11-20 | Акционерное общество открытого типа "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Push-pull operational amplifier |
US6788143B1 (en) * | 2002-04-29 | 2004-09-07 | National Semiconductor Corporation | Cascode stage for an operational amplifier |
RU2321159C1 (en) * | 2006-10-09 | 2008-03-27 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Cascode differential amplifier |
RU2390916C1 (en) * | 2009-02-02 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Precision operational amplifier |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2531530C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) | Adaptive integrating synchronisation device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2449466C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2416146C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2393629C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier | |
RU2321158C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2419198C1 (en) | Precision operating amplifier | |
RU2365029C1 (en) | Cascode difference amplifier with low offset voltage | |
RU2412528C1 (en) | Cascode differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2444119C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2412529C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2621289C1 (en) | Two-stage differential operational amplifier with higher gain | |
RU2813281C1 (en) | Gallium arsenide operational amplifier based on pnp bipolar and field-effect transistors with control pn junction | |
RU2416150C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2337471C1 (en) | Cascode amplifier | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2411644C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2411642C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2390914C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2412540C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2426221C1 (en) | Cascode differential operational amplifier with low zero offset voltage and high gain |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130329 |