RU2178235C1

RU2178235C1 - Low-noise broad-band current amplifier

Info

Publication number: RU2178235C1
Application number: RU2000124614A
Authority: RU
Inventors: В.В. Олексенко; А.П. Колесников
Original assignee: Олексенко Виктор Викторович; Колесников Александр Порфирьевич
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: electronics, measurement technology, automatic control; precision integrated-circuit current amplifiers; preamplifier stages of linear current-amplifying devices. SUBSTANCE: amplifier has four current mirrors 1-4 series-connected between positive and negative power buses 9 and 10, respectively, and circuits of output complementary transistors 5, 6 and 7, 8. Inherent noise of input stage is actively suppressed across current mirrors 3 and 4 and at the same time coherent control signals are shaped across control electrodes of output transistors 5,6 and 7, 8 due to series connection of current mirrors 1-4. EFFECT: reduced input capacitance and inherent noise of current amplifier. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электронике, измерительной технике, автоматике, в частности к малошумящим прецизионным усилителям в интегральном исполнении, и может использоваться в предварительных каскадах устройств линейного усиления тока. The invention relates to electronics, measuring equipment, automation, in particular to low-noise precision amplifiers in integrated design, and can be used in preliminary stages of linear current amplification devices.

Известен способ синфазного подавления помех, создаваемых пульсациями источника питания, и реализующие его дифференциальные операционные усилители [М. Мэндл. "200 избранных схем электроники". - М. : Мир, 1980, с. 42-45] . There is a method of common-mode suppression of interference caused by ripple of the power source, and implementing differential operational amplifiers [M. Mandle. "200 selected electronics circuits." - M.: Mir, 1980, p. 42-45].

Недостатком дифференциального входного каскада любого операционного усилителя является то, что при возникновении шумового сигнала в одном из транзисторов автоматически формируется когерентный упомянутому шуму сигнал, а на выходе дифференциального входного каскада появляется удвоенный и усиленный в К раз (К - величина коэффициента усиления транзисторов) управляющий сигнал. После усиления управляющего сигнала транзисторами выходного каскада операционного усилителя шумы усиливаются еще сильнее, что приводит к существенному ухудшению отношения "сигнал/помеха". The disadvantage of the differential input stage of any operational amplifier is that when a noise signal arises in one of the transistors, a signal coherent to the noise is automatically generated, and a control signal doubled and amplified by a factor of K (K is the value of the gain of the transistors) appears at the output of the differential input stage. After amplification of the control signal by transistors of the output stage of the operational amplifier, the noise is amplified even more, which leads to a significant deterioration of the signal-to-noise ratio.

В связи с этим известные усилители тока, работающие в широком динамическом диапазоне и с низкой мощностью потребления [патент США 6014056, кл. Н 03 F 3/26, опубликован 11.01.2000; патент США 4893091, кл. Н 03 F 3/45, 3/30, опубликован 09.01.1990, фиг. 4] не обладают высокой точностью, поскольку имеют высокую входную емкость и достаточно высокие шумовые параметры, снижающие прецизионность высокочастотного усилителя тока. In this regard, well-known current amplifiers operating in a wide dynamic range and with low power consumption [US patent 6014056, cl. H 03 F 3/26, published January 11, 2000; US patent 4893091, CL H 03 F 3/45, 3/30, published January 9, 1990, FIG. 4] do not have high accuracy, since they have a high input capacitance and sufficiently high noise parameters that reduce the precision of a high-frequency current amplifier.

Наиболее близким аналогом является усилитель тока [авт. св. СССР 1631703, кл. Н 03 F 3/26, опубликовано 28.02.1991] , содержащий транзисторы входного и выходного каскадов, четыре отражателя тока на транзисторах ("отражатель тока", по-английски "current mirror", иначе именуется "токовое зеркало"), двухполюсный токозадающий элемент на резисторе, дополнительные транзисторы, шины источника питания и общую шину. The closest analogue is a current amplifier [ed. St. USSR 1631703, class H 03 F 3/26, published 02.28.1991], containing transistors of the input and output stages, four current reflectors on transistors ("current reflector", in English "current mirror", otherwise referred to as "current mirror"), bipolar current-sensing element on the resistor, additional transistors, power supply buses and a common bus.

Включение отражателей тока (токовых зеркал) в схеме усилителя тока не позволяет обеспечить когерентность пульсаций тока в каждом из них. Кроме того, соединение некоторых транзисторов с общей шиной приводит к тому, что их шумовые характеристики также не когерентны, что еще больше ухудшает отношение "сигнал/помеха" ("сигнал/шум"). The inclusion of current reflectors (current mirrors) in the circuit of a current amplifier does not make it possible to ensure the coherence of current ripples in each of them. In addition, the connection of some transistors with a common bus leads to the fact that their noise characteristics are also not coherent, which further worsens the signal-to-noise ratio (signal-to-noise).

Задачей настоящего изобретения является создание малошумящего широкополосного прецизионного усилителя, основанного на реализации способа когерентной автокомпенсации собственных шумов, который позволяет снизить входную емкость и шумы усилителя тока. The objective of the present invention is to provide a low-noise wide-band precision amplifier based on the implementation of a method of coherent self-compensation of intrinsic noise, which allows to reduce the input capacitance and noise of the current amplifier.

Поставленная задача решается тем, что реализуется способ когерентной автокомпенсации собственных шумов усилителя тока, характеризующийся тем, что при появлении собственных шумов автоматически вырабатывается управляющий сигнал, когерентный собственному шуму, который после усиления вычитается из усиленного суммарного сигнала, содержащего полезный сигнал и шум. The problem is solved in that a method of coherent self-compensation of the noise of the current amplifier is implemented, characterized in that when the noise appears, a control signal is produced that is coherent to the noise, which, after amplification, is subtracted from the amplified total signal containing the useful signal and noise.

Поставленная задача решается также тем, что малошумящий широкополосный усилитель тока содержит подключенные входными электродами к шинам положительного и отрицательного питания усилителя соответственно первое и второе токовые зеркала, причем второе токовое зеркало выполнено комплементарно к первому, и выходные комплементарные транзисторы, которые последовательно включены между шинами положительного и отрицательного питания усилителя, точки соединения выходных комплементарных транзисторов подключены к соответствующим выходам усилителя, причем между первым и вторым токовыми зеркалами последовательно включены третье и четвертое токовые зеркала, выполненные комплементарно соответственно к первому и второму токовым зеркалам, причем точки соединения соответствующих выходных электродов третьего и четвертого токовых зеркал подключены к соответствующим входам усилителя, а точки соединения соответствующих выходных электродов соответственно первого, третьего и второго, четвертого токовых зеркал подключены соответственно к управляющим электродам выходных комплементарных транзисторов, при этом каждое токовое зеркало содержит одинаковое количество входных и выходных электродов. Для решения поставленной задачи также токовое зеркало содержит опорный диод, включенный между опорным входным и опорным выходным электродами токового зеркала, и МОП транзисторы, каждый из которых включен между соответствующими входными и выходными электродами токового зеркала, затворы которых подключены к опорному выходному электроду токового зеркала. The problem is also solved by the fact that the low-noise wide-band current amplifier contains connected by the input electrodes to the buses of the positive and negative power supply of the amplifier, respectively, the first and second current mirrors, the second current mirror being complementary to the first, and output complementary transistors that are connected in series between the positive and negative power supply of the amplifier, the connection points of the output complementary transistors are connected to the corresponding outputs a starter, and between the first and second current mirrors, the third and fourth current mirrors are connected in series, complementary to the first and second current mirrors, respectively, with the connection points of the corresponding output electrodes of the third and fourth current mirrors connected to the corresponding inputs of the amplifier, and the connection points of the corresponding output electrodes respectively, of the first, third, second, fourth current mirrors are connected respectively to the control electrodes of the output sets tary transistors, each current mirror includes the same number of input and output electrodes. To solve this problem, the current mirror also contains a reference diode connected between the reference input and reference output electrodes of the current mirror, and MOS transistors, each of which is connected between the corresponding input and output electrodes of the current mirror, the gates of which are connected to the reference output electrode of the current mirror.

На фиг. 1 показана блок-схема малошумящего широкополосного прецизионного усилителя тока. На фиг. 2. показан пример выполнения токового зеркала, используемого в таком усилителе. На фиг. 3, 4 показаны примеры выполнения малошумящего широкополосного прецизионного усилителя тока, выполненного на основе таких токовых зеркал. In FIG. 1 is a block diagram of a low noise wideband precision current amplifier. In FIG. 2. An example of a current mirror used in such an amplifier is shown. In FIG. 3 and 4, examples of a low-noise wide-band precision current amplifier made on the basis of such current mirrors are shown.

Суть способа когерентной автокомпенсации собственных шумов состоит в том, что в устройстве управления последовательно включенными выходными транзисторами усилителя автоматически формируются когерентные собственным шумам управляющие сигналы, но в противофазе к упомянутым собственным шумам. В результате такого формирования сигналов управления на выходе последовательно включенных выходных транзисторов усилителя противофазные когерентные сигналы вычитаются и в нагрузку не поступают, что полностью эквивалентно снижению внутренних шумов усилителя в целом. The essence of the method of coherent self-compensation of intrinsic noise is that control signals that are coherent with intrinsic noises are automatically generated in the control device for serially connected output transistors of the amplifier, but in antiphase to the mentioned intrinsic noises. As a result of such formation of control signals at the output of the amplifier's output transistors connected in series, the antiphase coherent signals are subtracted and do not enter the load, which is completely equivalent to reducing the internal noise of the amplifier as a whole.

Указанный способ реализован в заявленном малошумящем широкополосном прецизионном усилителе тока, представленном на фиг. 1. This method is implemented in the claimed low-noise wide-band precision current amplifier shown in FIG. 1.

Усилитель содержит токовые зеркала 1-4, выходные транзисторы 5-8, шины положительного 9, отрицательного 10 напряжения питания, входы 11, 12, выходы 13, 14. Токовое зеркало 1 (фиг. 2) содержит, например, опорный диод 15, транзисторы 16, 17, входные электроды 18, 19, выходные электроды 20, 21, опорный входной электрод 22, опорный выходной электрод 23. При этом в качестве диода может быть использован транзистор в диодном включении. The amplifier contains current mirrors 1-4, output transistors 5-8, positive bus 9, negative 10 supply voltage, inputs 11, 12, outputs 13, 14. The current mirror 1 (Fig. 2) contains, for example, a reference diode 15, transistors 16, 17, input electrodes 18, 19, output electrodes 20, 21, reference input electrode 22, reference output electrode 23. In this case, a diode-switched transistor can be used as a diode.

На фиг. 3 показан пример реализации малошумящего широкополосного прецизионного усилителя тока с одним выходом, выполненного на основе токовых зеркал 1-4, выполненных на МОП транзисторах 24-27, резисторах 28-35 и опорных диодах 36-39. В цепи выходных МОП транзисторов 5, 6 включены резисторы 40-43. Показана общая шина 44. In FIG. Figure 3 shows an example of the implementation of a low-noise wide-band precision single-output current amplifier based on current mirrors 1-4 made on MOS transistors 24-27, resistors 28-35, and reference diodes 36-39. In the output circuit of the MOS transistors 5, 6, resistors 40-43 are included. Shared bus 44 shown.

На фиг. 4 показан пример реализации малошумящего широкополосного прецизионного усилителя тока с двумя выходами, выполненного на основе токовых зеркал 1-4, которые в дополнение к перечисленным выше элементам содержат МОП транзисторы 45-48 и резисторы 49-56. В цепи выходных резисторов 7, 8 включены резисторы 57-60. In FIG. 4 shows an example implementation of a low-noise wide-band precision current amplifier with two outputs, made on the basis of current mirrors 1-4, which in addition to the above elements contain MOS transistors 45-48 and resistors 49-56. In the chain of output resistors 7, 8, resistors 57-60 are included.

Работает усилитель следующим образом. The amplifier works as follows.

Входной сигнал поступает со входов 11 и 12 (фиг. 1, 4) на входы 18 и 19 токовых зеркал 3 и 4, через выходы 20 и 21 которых передается к управляющим электродам выходных комплементарных транзисторов 5, 6 и 7, 8. В итоге на нагрузке, которая подключена к выходам 13 и 14 (между точками соединения выходных транзисторов), образуется усиленный выходной сигнал. The input signal comes from inputs 11 and 12 (Fig. 1, 4) to the inputs 18 and 19 of the current mirrors 3 and 4, through the outputs 20 and 21 of which it is transmitted to the control electrodes of the output complementary transistors 5, 6 and 7, 8. As a result, the load, which is connected to the outputs 13 and 14 (between the connection points of the output transistors), an amplified output signal is generated.

Подавление собственного шума, который возникает в любом из активных элементов токовых зеркал 1-4, происходит следующим образом. Например, изменился потенциал на опорном диоде 36 (или диоде 39). Это приведет к синхронному изменению сигналов на выходах 20 и 21 токового зеркала 1 (2), что приведет к соответствующему изменению токов в последовательно включенных токовых зеркалах 2, 3 и 4 (1, 3 и 4). В итоге на управляющие электроды каждого выходного транзистора 5-8 поступают когерентные исходному шумовому сигналу управляющие сигналы. Поскольку приращения выходных токов выходных транзисторов 5, 6 и 7, 8 остаются после усиления равными между собой, то на выходы 13 и 14 усилителя шумовой сигнал не попадает. The suppression of intrinsic noise that occurs in any of the active elements of the current mirrors 1-4 occurs as follows. For example, the potential at the reference diode 36 (or diode 39) has changed. This will lead to a synchronous change in the signals at the outputs 20 and 21 of the current mirror 1 (2), which will lead to a corresponding change in the currents in series current mirrors 2, 3, and 4 (1, 3, and 4). As a result, control signals coherent to the original noise signal are supplied to the control electrodes of each output transistor 5-8. Since the increments of the output currents of the output transistors 5, 6 and 7, 8 remain equal after each gain, the noise signal does not get to the outputs 13 and 14 of the amplifier.

Применение способа когерентной автокомпенсации собственных шумов позволяет достичь решения поставленной задачи снижения входной емкости и шумов усилителя и тем самым повышения его прецизионности. The application of the method of coherent self-compensation of intrinsic noise allows us to achieve a solution to the problem of reducing the input capacitance and noise of the amplifier and thereby increase its precision.

Claims

1. A low-noise wide-band current amplifier, comprising first and second current mirrors connected to the positive and negative power supply buses of the amplifier by input electrodes, the second current mirror being complementary to the first and the output complementary transistors that are connected in series between the positive and negative power supply buses of the amplifier, the connection points of the output complementary transistors are connected to the corresponding outputs of the amplifier, characterized in that between the third and fourth current mirrors, complementary to the first and second current mirrors, respectively, are connected in series with the second and current mirrors, the input signal coming from the amplifier inputs to the input electrodes of the third and fourth current mirrors, and the connection points of the corresponding output electrodes of the first, third, and second , the fourth current mirrors are connected respectively to the control electrodes of the output complementary transistors, while each current mirror contains the same e the number of input and output electrodes.

2. The low-noise wide-band current amplifier according to claim 1, characterized in that the current mirror comprises a reference diode connected between the reference input and reference output electrodes of the current mirror and MOS transistors, each of which is connected between the corresponding input and output electrodes of the current mirror, gates which are connected to the reference output electrode of the current mirror.