RU2255416C1 - Operational amplifier - Google Patents

Operational amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2255416C1
RU2255416C1 RU2003129692/09A RU2003129692A RU2255416C1 RU 2255416 C1 RU2255416 C1 RU 2255416C1 RU 2003129692/09 A RU2003129692/09 A RU 2003129692/09A RU 2003129692 A RU2003129692 A RU 2003129692A RU 2255416 C1 RU2255416 C1 RU 2255416C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
input
bus
transistors
repeater
Prior art date
Application number
RU2003129692/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003129692A (en
Inventor
Н.Н. Прокопенко (RU)
Н.Н. Прокопенко
ков А.С. Буд (RU)
А.С. Будяков
Original Assignee
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 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС) filed Critical Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС)
Priority to RU2003129692/09A priority Critical patent/RU2255416C1/en
Publication of RU2003129692A publication Critical patent/RU2003129692A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2255416C1 publication Critical patent/RU2255416C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio and communications engineering.
SUBSTANCE: proposed operational amplifier designed for amplifying broadband signals, including pulsed ones, in analog interface structures of various functional applications has input stage 1 made in the form of differential amplifiers whose output current is unlimited at input voltage fluctuations up to several volts; p-n-p transistors 8, 9; and n-p-n transistors 10, 11. Emitters of transistors 8 through 11 are connected to respective antiphase current outputs of stage 1; collectors of transistors 9, 11 are integrated and coupled with correcting capacitor 16 and with output buffer amplifier 17. Current followers 19, 18 are introduced between collectors of transistors 8, 9 and collectors of transistors 10, 11. Use of micron technologies with layout standards of 1.5 to 2 μm provides for speed growth at level of 4000 - 6000 V/μs.
EFFECT: enhanced speed.
8 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных и импульсных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying broadband and pulse signals in the structure of analog interfaces for various functional purposes.

Известны операционные усилители (ОУ) на базе двух параллельно включенных параллельно-балансных каскадов, которые стали основой построения современных операционных усилителей, например, AD8631, НА2539, НА5190 и др. [1, 2, 4]. Однако они имеют недостаточно высокое быстродействие из-за нелинейных режимов работы при большом импульсном сигнале [5, 6]. Проблема повышения быстродействия ОУ данного класса, относящихся к числу наиболее широкополосных двухтактных структур, является одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.Known operational amplifiers (op amps) based on two parallel-connected parallel-balanced cascades, which became the basis for the construction of modern operational amplifiers, for example, AD8631, HA2539, NA5190 and others [1, 2, 4]. However, they do not have a high enough speed due to nonlinear operation modes with a large pulse signal [5, 6]. The problem of improving the performance of op-amps of this class, which are among the most broadband push-pull structures, is one of the urgent problems of modern analog microcircuitry.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель [4], содержащий входной каскад, имеющий первый и второй противофазные токовые выходы, согласованные с шинами положительного источника питания, первый и второй противофазные токовые выходы, согласованные с шиной отрицательного источника питания, первый и второй р-n-р транзисторы с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ec1, эмиттеры которых соединены с соответствующими первым и вторым токовыми выходами входного каскада, согласованными с шиной положительного источника питания, первый и второй n-р-n транзисторы с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ес2, эмиттеры которых соединены с соответствующими первым и вторым противофазными токовыми выходами входного каскада, согласованными с шиной отрицательного источника питания, причем коллекторы вторых р-n-р и n-р-n транзисторов объединены и связаны с корректирующим конденсатором и выходным буферным усилителем.The closest prototype of the claimed device is an operational amplifier [4], comprising an input stage having first and second antiphase current outputs matched to the buses of the positive power supply, first and second antiphase current outputs matched to the bus of the negative power source, first and second p-n -p transistors with integrated bases and a bias voltage E c1 selected on them, the emitters of which are connected to the corresponding first and second current outputs of the input stage, matched with of a positive power source, the first and second n-p-n transistors with combined bases and a bias voltage E c2 selected on them, the emitters of which are connected to the corresponding first and second antiphase current outputs of the input stage, matched to the bus of the negative power source, the second collectors pnp and npn transistors are combined and connected to a correction capacitor and an output buffer amplifier.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что его архитектура не позволяет исключить нелинейные режимы и тем самым получить предельные значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения (ϑ вых) для большого сигнала. Кроме этого, известное устройство характеризуется из-за несимметрии высокими значениями э.д.с. смещения нуля и малым коэффициентом ослабления входных синфазных сигналов.A significant drawback of the known op-amp is that its architecture does not allow to exclude nonlinear modes and thereby obtain the maximum values of the maximum slew rate of the output voltage (ϑ out ) for a large signal. In addition, the known device is characterized due to asymmetry by high values of the emf zero bias and low attenuation of input common-mode signals.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия - получении ϑ вых на уровне 4000-6000 В/мкс с использованием отечественных микронных технологий (с топологическими нормами ≥ 1,5÷ 2 мкм). Дополнительная цель - в уменьшении э.д.с. смещения нуля и повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов.The main objective of the invention is to increase performance - to obtain output at the level of 4000-6000 V / μs using domestic micron technologies (with topological standards ≥ 1.5 ÷ 2 μm). An additional goal is to reduce the emf. zero bias and increasing the attenuation coefficient of the input common-mode signals.

Поставленная цель достигается тем, что в операционный усилитель, содержащий входной каскад, имеющий первый и второй противофазные токовые выходы, согласованные с шинами положительного источника питания, первый и второй противофазные токовые выходы, согласованные с шиной отрицательного источника питания, первый и второй р-n-р транзисторы с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ec1, эмиттеры которых соединены с соответствующими первым и вторым токовыми выходами входного каскада, согласованными с шиной положительного источника питания, первый и второй n-р-n транзисторы с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ес2, эмиттеры которых соединены с соответствующими первым и вторым противофазными токовыми выходами входного каскада, согласованными с шиной отрицательного источника питания, причем коллекторы вторых р-n-р и n-р-n транзисторов объединены и связаны с корректирующим конденсатором и выходным буферным усилителем, вводятся новые связи и элементы - входной каскад выполнен в виде дифференциальных усилителей, не имеющих ограничений выходного тока при изменении входного напряжения до нескольких вольт, между коллекторами первого и второго р-n-р транзисторов, а также коллекторами первого и второго n-p-n транзисторов введены соответственно первый и второй повторители тока, причем общий узел первого повторителя тока соединен с шиной положительного источника питания, а общий узел второго повторителя тока связан с шиной отрицательного источника питания.This goal is achieved by the fact that in an operational amplifier containing an input stage having first and second antiphase current outputs matched with buses of a positive power source, first and second antiphase current outputs matched with a bus of a negative power source, the first and second p-n- p transistors with bases and combined them to selected bias voltage E c1, whose emitters are connected to respective first and second current outputs of the input stage, consistent with positively bus the first power source, first and second n-p-n transistors with merged database and selected for their bias voltage E c2 whose emitters are connected to respective first and second antiphase current outputs of the input stage outputs, matched to the bus of the negative power source, the collector of the second p -n-p and n-p-n transistors are combined and connected with a correction capacitor and an output buffer amplifier, new connections and elements are introduced - the input stage is made in the form of differential amplifiers that do not have limitations output current when the input voltage changes to several volts, between the collectors of the first and second rnp transistors, as well as the collectors of the first and second npn transistors, the first and second current repeaters are introduced, respectively, and the common node of the first current repeater is connected to the bus of the positive source power supply, and the common node of the second current follower is connected to the bus of the negative power source.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.1. На фиг.2 изображена схема ОУ, в котором (п.2, п.3 формулы изобретения) вводятся дополнительные повторители тока с зоной нечувствительности 20 и 21, обеспечивающие передачу больших приращений выходных токов входного каскада, протекающих через узлы 4 и 6, в корректирующий конденсатор 16.A diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims is shown in figure 1. Figure 2 shows a diagram of the op-amp, in which (claim 2, claim 3 of the claims) additional current repeaters with a dead zone of 20 and 21 are introduced, providing the transmission of large increments of the output currents of the input stage flowing through nodes 4 and 6, in the corrective capacitor 16.

На фиг.3 показан частный случай реализации повторителей тока с зоной нечувствительности 20 и 21 - на основе n-р-n (20) и р-n-р (21) транзисторов, находящихся (при усилении малых сигналов) в отсечке.Figure 3 shows a special case of the implementation of current repeaters with a deadband of 20 and 21 based on npn (20) and pnp (21) transistors located (with amplification of small signals) in the cutoff.

В схеме фиг.4 (п.6, п.7 формулы изобретения) введены новые элементы 22, 23, 24, 25, которые создают дополнительный нелинейный канал передачи большого сигнала от выходов 5 и 7 в корректирующий конденсатор 16. Эти связи направлены на устранение возникающей динамической ассиметрии в ОУ, которая может возникать из-за неодинакового быстродействия по выходам 4 и 5, а также 6 и 7.In the circuit of FIG. 4 (claim 6, claim 7 of the claims) new elements 22, 23, 24, 25 are introduced, which create an additional nonlinear channel for transmitting a large signal from outputs 5 and 7 to the correction capacitor 16. These communications are aimed at eliminating emerging dynamic asymmetry in the op-amp, which may occur due to uneven performance at outputs 4 and 5, as well as 6 and 7.

В схеме ОУ фиг.5 за счет использования во входном каскаде синфазных токовых выходов 25, 26, выходные токи которых пропорциональны только большому входному сигналу (uвх.2.3>>50 мВ), каналы передачи больших и малых сигналов совпадают только в первом 18 и втором 19 повторителях тока. Такая архитектура позволяет создавать сверхбыстродействующие ОУ, одинаково хорошо работающие как в режиме инвертора, так и в режиме повторителя импульсных сигналов.In the op amp circuit of Fig. 5, due to the use of common-mode current outputs 25, 26 in the input stage, the output currents of which are proportional only to the large input signal (u input 2.3 >> 50 mV), the transmission channels of large and small signals coincide only in the first 18 and second 19 current repeaters. Such an architecture makes it possible to create ultra-fast opamps that work equally well both in inverter mode and in pulse repeater mode.

На фиг.6-фиг.8 и таблице 1 (фиг.10) изображены конкретные схемы функциональных узлов, которые использовались при построении ОУ фиг.5, и результаты их компьютерного моделирования в среде Pspice с использованием моделей интегральных транзисторов. На фиг.11 показана схема входного каскада 1, которая исследовалась в предлагаемом операционном усилителе.Fig.6-Fig.8 and table 1 (Fig.10) shows specific circuits of functional units that were used in the construction of the opamp of Fig.5, and the results of their computer simulation in a Pspice environment using models of integrated transistors. In Fig.11 shows a diagram of the input stage 1, which was investigated in the proposed operational amplifier.

Операционный усилитель фиг.1 содержит входной каскад 1, входами которого являются узлы 2 и 3, первый (4) и второй (5) противофазные токовые выходы входного каскада, согласованные с шинами положительного источника питания, а первый (6) и второй (7) противофазные токовые выходы входного каскада согласованы с шиной отрицательного источника питания, т.е. могут иметь потенциал, близкий к +Еп (-Еп). Выходы 4 и 5 соединены с эмиттерами первого 8 и второго 9 р-n-р транзисторов с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ec1, а выходы 6 и 7 связаны с эмиттерами первого (10) и второго (11) n-р-n транзисторов с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ес2. Статический режим транзисторов 8-11 устанавливается двухполюсниками 12, 13, 14, 15. Коллекторы вторых n-p-n (11) и p-n-р (9) транзисторов соединены друг с другом и связаны с корректирующим конденсатором 16 и выходным буферным усилителем 17. Между коллекторами первого 8 и второго 9 р-n-р транзисторов, а также между коллектором первого 10 и второго 11 n-p-n транзисторов включены первый 18 и второй 19 повторители тока, общие узлы которых соединены соответственно с шинами положительного и отрицательного источников питания. В качестве входного каскада 1 применяются дифференциальные усилители, не имеющие ограничения выходного тока при изменении входного напряжения до нескольких вольт [5, 6].The operational amplifier of figure 1 contains an input stage 1, the inputs of which are nodes 2 and 3, the first (4) and second (5) antiphase current outputs of the input stage, matched with the buses of a positive power source, and the first (6) and second (7) the out-of-phase current outputs of the input stage are matched to the bus of the negative power source, i.e. may have a potential close to + E p (-E p ). Outputs 4 and 5 are connected to the emitters of the first 8 and second 9 pnp transistors with integrated bases and bias voltage E c1 selected on them, and outputs 6 and 7 are connected to emitters of the first (10) and second (11) np -n transistors with integrated bases and a bias voltage E c2 selected on them. The static mode of transistors 8-11 is set by two-terminal 12, 13, 14, 15. The collectors of the second npn (11) and pn-p (9) transistors are connected to each other and connected to a correction capacitor 16 and an output buffer amplifier 17. Between the collectors of the first 8 and the second 9 rn-n-r transistors, as well as between the collector of the first 10 and second 11 npn transistors, the first 18 and second 19 current repeaters are included, the common nodes of which are connected respectively to the buses of the positive and negative power sources. As the input stage 1, differential amplifiers are used that do not have a limitation of the output current when the input voltage changes to several volts [5, 6].

В устройстве фиг.2, соответствующем п.2 формулы изобретения, между эмиттером первого р-n-р транзистора 8 и входом первого повторителя тока 18 включен первый дополнительный повторитель тока 20 с зоной нечувствительности, а между эмиттером первого n-p-n транзистора 10 и входом второго повторителя тока 19 включен второй дополнительный повторитель тока 21 с зоной нечувствительности. В частном случае дополнительные повторители тока 20 и 21 выполнены в виде нескольких последовательно включенных р-n переходов (диодов).In the device of FIG. 2, corresponding to claim 2, between the emitter of the first pnp transistor 8 and the input of the first current follower 18, a first additional current follower 20 is connected with a dead zone, and between the emitter of the first npn transistor 10 and the input of the second follower current 19 included the second additional current repeater 21 with a dead zone. In the particular case, additional current repeaters 20 and 21 are made in the form of several series-connected pn junctions (diodes).

В устройстве фиг.3, соответствующем п.4 и п.5 формулы изобретения, первый и второй дополнительные повторители тока с зоной нечувствительности 20 и 21 выполнены в виде нелинейных каскадов с общей базой на n-р-n (20) и р-n-р (21) транзисторах.In the device of FIG. 3, corresponding to claim 4 and claim 5, the first and second additional current repeaters with a dead zone 20 and 21 are made in the form of nonlinear cascades with a common base on n-p-n (20) and p-n -r (21) transistors.

В устройстве фиг.4, соответствующем п.6 и п.7 формулы изобретения, введены первый 22 и второй 23 вспомогательные повторители тока, согласованные с соответствующими шинами питания, причем эмиттер второго р-n-р транзистора 9 соединен со входом первого вспомогательного повторителя тока 22 через третий повторитель тока с зоной нечувствительности 24, эмиттер второго n-р-n транзистора 11 соединен со входом второго 23 вспомогательного повторителя тока через четвертый повторитель тока с зоной нечувствительности 25, причем выход первого вспомогательного повторителя тока 22 соединен со входом второго повторителя тока 19, а выход второго вспомогательного повторителя тока 23 соединен со входом первого повторителя тока 18.In the device of FIG. 4, corresponding to claim 6 and claim 7, the first 22 and second 23 auxiliary current repeaters are introduced, which are matched with the corresponding power buses, the emitter of the second pnp transistor 9 being connected to the input of the first auxiliary current repeater 22 through a third current repeater with a dead zone 24, the emitter of the second npn transistor 11 is connected to the input of the second 23 auxiliary current repeater through a fourth current repeater with a dead zone 25, and the output of the first auxiliary the current follower 22 is connected to the input of the second current follower 19, and the output of the second auxiliary current follower 23 is connected to the input of the first current follower 18.

В устройстве фиг.5, соответствующем п.8 формулы изобретения, входной каскад 1, кроме малосигнальных выходов 4, 5 и 6, 7, имеет первый 25 и второй 26 синфазные выходы для большого сигнала, согласованные с шинами положительного (25) и отрицательного (26) источников питания и соединенные со входами первого 18 и второго 19 повторителя тока.In the device of FIG. 5, corresponding to claim 8, the input stage 1, in addition to low-signal outputs 4, 5 and 6, 7, has first 25 and second 26 in-phase outputs for a large signal, matched with positive (25) and negative ( 26) power sources and connected to the inputs of the first 18 and second 19 current repeater.

В качестве входного каскада 1, в соответствии с формулой изобретения, используются каскады, не имеющие ограничений выходного тока при изменении входного напряжения ОУ до нескольких вольт [5, 6].As an input stage 1, in accordance with the claims, cascades are used that do not have restrictions on the output current when the input voltage of the op-amp is changed to several volts [5, 6].

Рассмотрим работу устройства при положительном импульсе напряжения на входе Вх.1(-) ОУ (фиг.1, 2) в режиме повторителя со 100% обратной связью для трех наиболее характерных случаев: малый импульсный сигнал (импульсное напряжение между входами ОУ uвх2.3<Uгр≈ 50 мВ), большой импульсный сигнал (uвх.2.3≥ Uгр· 50 мВ, когда выходные токи в узлах 5 и 6 ограничиваются, а выходные токи узлов 4 и 7

Figure 00000002
Figure 00000003
продолжают изменяться пропорционально uвх.2.3, однако их значения не превышают статических уровней источников 12 и 14:
Figure 00000004
Figure 00000005
большой импульсный сигнал, когда выходные токи узлов 4 и 7
Figure 00000006
Figure 00000007
превышают статические уровни I12, I14:
Figure 00000008
Figure 00000009
Consider the operation of the device with a positive voltage pulse at the input Вх.1 (-) ОУ (Fig.1, 2) in the repeater mode with 100% feedback for the three most characteristic cases: a small pulse signal (pulse voltage between the inputs of the ОУ u В2.3 <U gr ≈ 50 mV), a large pulse signal (u input 2.3 ≥ U gr · 50 mV, when the output currents at nodes 5 and 6 are limited, and the output currents at nodes 4 and 7
Figure 00000002
Figure 00000003
continue to vary in proportion to u in. 2.3 , however, their values do not exceed the static levels of sources 12 and 14:
Figure 00000004
Figure 00000005
large pulse signal when the output currents of nodes 4 and 7
Figure 00000006
Figure 00000007
exceed static levels I 12 , I 14 :
Figure 00000008
Figure 00000009

В статическом режиме, когда напряжение между узлами 2 и 3 близко к нулю, дополнительные повторители тока 20 и 21 (в частном случае диоды) закрыты. Такое состояние обеспечивается правильным выбором напряжений Eс1 и Ес2 на базах транзисторов.In static mode, when the voltage between nodes 2 and 3 is close to zero, the additional current followers 20 and 21 (in the particular case diodes) are closed. This state is ensured by the correct choice of voltages E c1 and E c2 at the bases of transistors.

Небольшие изменения выходных токов входного каскада

Figure 00000010
и
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
под действием входного сигнала ОУ (напряжение между узлами 2 и 3 uвх.2.3≤ Uгр) передаются в эмиттерные цепи транзисторов: 8 и 9, 10 и 11, и далее на выход промежуточного каскада - к корректирующему конденсатору 16, где Uгp - входное напряжение uвx.2.3, при котором происходит ограничение выходных токов узлов 5 и 6. При этом осуществляется заряд (разряд) конденсатора 16 суммарным током, пропорциональным uвх.2.3 (фиг.1, токи со значком “М”):Small changes in the output currents of the input stage
Figure 00000010
and
Figure 00000011
Figure 00000012
Figure 00000013
under the action of the input signal, the op-amp (voltage between nodes 2 and 3 u input 2.3 ≤ U g ) is transmitted to the emitter circuit of the transistors: 8 and 9, 10 and 11, and then to the output of the intermediate stage to the correction capacitor 16, where U gp - input voltage u inx.2.3 , at which the output currents of nodes 5 and 6 are limited. In this case, the capacitor 16 is charged (discharged) with a total current proportional to u in.2.3 (Fig. 1, currents with the “M” mark ):

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
- крутизна преобразования малого входного напряжения uвх.2.3 в i-й выходной ток входного каскада.Where
Figure 00000015
- the steepness of the conversion of a small input voltage u input 2.3 to the i-th output current of the input stage.

При малом сигнале (uвх.2.3<50 мВ) быстродействие ОУ получается наибольшим (зависящим как в любой линейной системе) от амплитуды выходного напряжения ОУ [5, 6]. Режим малых сигналов заканчивается при входном напряжении, превышающем 50 мВ (uвх.2.3>Uгp=50 мВ).With a small signal (u input 2.3 <50 mV), the op-amp performance is greatest (depending on any linear system) on the amplitude of the op-amp output voltage [5, 6]. The small signal mode ends when the input voltage exceeds 50 mV (u input 2.3 > U gp = 50 mV).

Во втором случае, когда uвх.2.3>Uгp=50 мВ, входной каскад, выполненный, например, по схеме фиг.7 или фиг.9, переходит в режим ограничения токов по выходам 5 и 6 (их абсолютные значения становятся близкими к нулю) и режим дальнейшего пропорционального (входному сигналу) приращения токов по выходам 4 и 7:In the second case, when u in.2.3 > U gp = 50 mV, the input stage, made, for example, according to the circuit of Fig. 7 or Fig. 9, enters the current limiting mode at outputs 5 and 6 (their absolute values become close to zero) and the mode of further proportional (input signal) current increment at outputs 4 and 7:

Figure 00000016
Figure 00000016

где

Figure 00000017
,
Figure 00000018
- крутизны преобразования входного напряжения ОУ uвх.2.3 в соответствующий ток.Where
Figure 00000017
,
Figure 00000018
- converting an input voltage transconductance OU u vh.2.3 the corresponding current.

Эти сравнительно большие (по сравнению со статическими токами выходов 4 и 7) приращения токов

Figure 00000019
Figure 00000020
передаются в выходную цепь и заряжают корректирующий конденсатор 16 суммарным током большого сигналаThese are relatively large (compared with the static currents of outputs 4 and 7) current increments
Figure 00000019
Figure 00000020
are transferred to the output circuit and charge the correction capacitor 16 with the total current of a large signal

Figure 00000021
Figure 00000021

За счет выбора параметров

Figure 00000022
Figure 00000023
входного каскада 1 обеспечивается такая же пропорциональность тока заряда
Figure 00000024
что и на малом сигнале (1). Однако в этом режиме суммарный ток заряда корректирующего конденсатора 16
Figure 00000025
достигает первого ограничения при
Figure 00000026
Figure 00000027
что соответствует величине входного граничного напряжения подсхемы “входной каскад 1 - промежуточный каскад”:By selecting options
Figure 00000022
Figure 00000023
input stage
1 provides the same proportionality of the charge current
Figure 00000024
as on the small signal (1). However, in this mode, the total charge current of the correction capacitor 16
Figure 00000025
reaches the first limit when
Figure 00000026
Figure 00000027
which corresponds to the value of the input boundary voltage of the subcircuit “input stage 1 - intermediate stage”:

Figure 00000028
Figure 00000028

Повышенные значения

Figure 00000029
позволяют увеличить максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ фиг.1 с величины ϑ вых.1 до величины ϑ вых.2>>ϑ вых.1:Increased values
Figure 00000029
allow you to increase the maximum slew rate of the output voltage of the op-amp of Fig. 1 from the value ϑ output 1 to the value ϑ output 2 >> ϑ output 1 :

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
Figure 00000031

где f1 - частота единичного усиления по петле обратной связи ОУ;where f 1 is the frequency of unity gain in the feedback loop of the op-amp;

Uгp - напряжение ограничения выходных токов iвых.5, iвых.6;U gp - voltage limiting output currents iout.5 , iout.6 ;

Figure 00000032
- напряжение ограничения выходных токов
Figure 00000033
,
Figure 00000034
.
Figure 00000032
- output current limiting voltage
Figure 00000033
,
Figure 00000034
.

При этом в схеме фиг.1 сохраняется симметрия токов заряда и разряда корректирующего конденсатора 16, что обеспечивает идентичность переходных процессов при различных полярностях импульсных входных сигналов.Moreover, in the circuit of FIG. 1, the symmetry of the charge and discharge currents of the correction capacitor 16 is preserved, which ensures the identity of transients at different polarities of the pulse input signals.

Структура усилителя, каналы передачи сигналов существенно изменяются, когда выходные токи входного каскада

Figure 00000035
Figure 00000036
начинают превышать статические значения токов I12, (I14). Рассмотрим этот режим в схеме фиг.2.Amplifier structure, signal transmission channels change significantly when the output currents of the input stage
Figure 00000035
Figure 00000036
begin to exceed the static values of currents I 12 , (I 14 ). Consider this mode in the circuit of figure 2.

Если выходной ток ДК

Figure 00000037
становится больше, чем ток I12, то транзистор 8 запирается (потенциал эмиттера этого транзистора становится меньше, чем Ec1), открывается "диодный" повторитель тока 20, создавая новый путь прохождения большого сигнала - на вход повторителя тока 18, а затем на выход промежуточного каскада (в емкость 16). Таким образом, для этого уровня большого сигнала приращения тока
Figure 00000038
передаются в емкость 16 по каналу с минимальной "электрической длиной", включающему элементы 20 и 18. Аналогично работает и канал передачи большого сигнала на элементах 21, 19 для другой полярности uвх.2.3. При выполнении данных условий быстродействие ОУ фиг.2 приближается к предельно возможному, характерному для линейного режима, а максимальная скорость нарастания выходного напряжения достигает значенийIf the output current of the DC
Figure 00000037
becomes larger than the current I 12 , then the transistor 8 is locked (the emitter potential of this transistor becomes less than E c1 ), the "diode" current repeater 20 opens, creating a new path for the large signal to pass through - to the input of the current repeater 18, and then to the output intermediate cascade (in tank 16). Thus, for this level of a large current increment signal
Figure 00000038
transmitted to the capacitance 16 through a channel with a minimum "electric length", including elements 20 and 18. The channel for transmitting a large signal on elements 21, 19 for a different polarity u input 2.3 works in the same way . When these conditions are met, the speed of the op-amp of FIG. 2 approaches the maximum possible characteristic of the linear mode, and the maximum slew rate of the output voltage reaches values

Figure 00000039
Figure 00000039

где

Figure 00000040
- напряжение ограничения выходного тока
Figure 00000041
Figure 00000042
входного каскада для большого сигнала.Where
Figure 00000040
- output current limiting voltage
Figure 00000041
Figure 00000042
input stage for a large signal.

В схеме фиг.3 снижаются ограничения на величину напряжения на базах транзисторов 8 и 9, так как при малых сигналах транзистор 20 закрыт. Однако, если потенциал эмиттера транзистора 8 становится меньше потенциала +Ec1, транзистор 20 входит в активный режим и передает на вход повторителя 18 разницу токов

Figure 00000043
In the circuit of FIG. 3, restrictions on the magnitude of the voltage at the bases of transistors 8 and 9 are reduced, since for small signals the transistor 20 is closed. However, if the emitter potential of the transistor 8 becomes less than the potential + E c1 , the transistor 20 enters the active mode and transmits the current difference to the input of the repeater 18
Figure 00000043

Аналогично работает и ОУ фиг.4, в котором одновременно созданы каналы передачи "избыточных" токов со всех выходов 4-7 на выход промежуточного каскада.The op amp of FIG. 4 also works in a similar way, in which channels for transmitting “excess” currents from all outputs 4–7 to the output of the intermediate stage are simultaneously created.

Особенность схемы ОУ фиг.5 состоит в наличии у входного каскада (кроме малосигнальных выходов 4, 5, 6, 7) двух выходов 25 и 26 для большого сигнала. Пример построения таких входных каскадов дан на фиг.7. В этом случае "большой" сигнал может подаваться непосредственно на вход повторителей тока 18 и 19.A feature of the op-amp circuit of Fig. 5 is that the input stage (except for low-signal outputs 4, 5, 6, 7) has two outputs 25 and 26 for a large signal. An example of the construction of such input stages is given in Fig.7. In this case, a "large" signal can be fed directly to the input of current repeaters 18 and 19.

Таким образом, в зависимости от вариантов построения входного каскада 1, возможно изменение состава функциональных узлов ОУ и связей между ними, что нашло отражение в многозвенной формуле изобретения.Thus, depending on the options for constructing the input stage 1, it is possible to change the composition of the functional nodes of the OS and the relationships between them, which is reflected in the multi-link claims.

Результаты компьютерного моделирования в среде Pspice фиг.1-фиг.5 показывают, что заявляемое устройство имеет высокие значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения ϑ вых≥ 4000 В/мкс и по совокупности обобщенных показателей качества превосходит лучшие зарубежные аналоги.The results of computer simulation in the Pspice environment of FIGS. 1 to 5 show that the inventive device has high values of the maximum slew rate of the output voltage ϑ o ≥ 4000 V / μs and in terms of the aggregate of generalized quality indicators exceeds the best foreign analogues.

Источники информацииSources of information

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.6.11.1. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M .: Radio and communications, 1989. - Fig. 6.11.

2. Двухтактный операционный усилитель. Патент РФ №2193273 Н 03 f 3/45.2. Push-pull operational amplifier. RF patent No. 2193273 H 03 f 3/45.

3. Дифференциальный усилитель. Патент США №4649352, кл. 330-261.3. Differential amplifier. U.S. Patent No. 4,649,352, cl. 330-261.

4. Operational amplifier circuit. Патент США №4463319, кл. 330-261.4. Operational amplifier circuit. US patent No. 4463319, CL. 330-261.

5. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И.Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979.5. Operational amplifiers with direct connection of cascades / V.I. Anisimov, M.V. Kapitonov, N.N. Prokopenko, Yu.M. Sokolov. - L., 1979.

6. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. – 216 с.6. Polonnikov D.E. Operational amplifiers: principles of construction, theory, circuitry. - M., 1983. - 216 p.

Claims (8)

1. Операционный усилитель, содержащий входной каскад, имеющий первый и второй противофазные токовые выходы, согласованные с шинами положительного источника питания, первый и второй противофазные токовые выходы, согласованные с шиной отрицательного источника питания, первый и второй р-n-р-транзисторы с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ec1, эмиттеры которых соединены с соответствующими первым и вторым токовыми выходами входного каскада, согласованными с шиной положительного источника питания, первый и второй n-р-n-транзисторы с объединенными базами и выбранным на них напряжением смещения Ес2, эмиттеры которых соединены с соответствующими первым и вторым противофазными токовыми выходами входного каскада, согласованными с шиной отрицательного источника питания, причем коллекторы вторых р-n-р- и n-р-n-транзисторов объединены и связаны с корректирующим конденсатором и выходным буферным усилителем, отличающийся тем, что входной каскад выполнен в виде дифференциальных усилителей, не имеющих ограничений выходного тока при изменении входного напряжения до нескольких вольт, между коллекторами первого и второго р-n-р-транзисторов, а также коллекторами первого и второго n-р-n-транзисторов введены соответственно первый и второй повторители тока, причем общий узел первого повторителя тока соединен с шиной положительного источника питания, а общий узел второго повторителя тока связан с шиной отрицательного источника питания.1. An operational amplifier comprising an input stage having first and second antiphase current outputs matched to the buses of the positive power supply, first and second antiphase current outputs matched to the bus of the negative power source, the first and second pnp transistors with combined bases and the bias voltage E c1 selected on them, the emitters of which are connected to the corresponding first and second current outputs of the input stage, matched to the bus of the positive power supply, the first and second n- p-n-transistors with integrated bases and bias voltage E c2 selected on them, the emitters of which are connected to the corresponding first and second antiphase current outputs of the input stage, matched to the bus of the negative power source, and the collectors of the second p-n-p- and n- pn-transistors are combined and connected with a correction capacitor and an output buffer amplifier, characterized in that the input stage is made in the form of differential amplifiers that do not have restrictions on the output current when the input voltage changes up to several volts, between the collectors of the first and second pnp transistors, as well as the collectors of the first and second npn transistors, the first and second current repeaters are introduced respectively, the common node of the first current repeater connected to the bus of the positive source power supply, and the common node of the second current follower is connected to the bus of the negative power source. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй противофазные токовые выходы входного каскада, согласованные с шиной отрицательного источника питания, первый и второй противофазные токовые выходы входного каскада, согласованные с шиной положительного источника питания, обеспечивают усиление как малого и большого входного сигнала, а между эмиттером первого р-n-р-транзистора и входом первого повторителя тока включен первый дополнительный повторитель тока с зоной нечувствительности, эмиттер первого n-р-n-транзистора связан со входом второго дополнительного повторителя тока через второй дополнительный повторитель тока с зоной нечувствительности.2. The device according to claim 1, characterized in that the first and second antiphase current outputs of the input stage, matched with the bus of the negative power supply, the first and second antiphase current outputs of the input stage, matched with the bus of the positive power source, provide amplification of both small and large input signal, and between the emitter of the first pnp transistor and the input of the first current repeater, the first additional current repeater with a dead zone is turned on, the emitter of the first npn transistor is connected to home repeater second additional current through the second current repeater with additional dead zone. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый и второй дополнительные повторители тока с зоной нечувствительности выполнены в виде последовательно соединенных р-n-переходов.3. The device according to claim 2, characterized in that the first and second additional current followers with a dead zone are made in the form of pn junctions connected in series. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый дополнительный повторитель тока с зоной нечувствительности выполнен в виде каскада с общей базой на n-р-n транзисторе, эмиттер которого является его входом, а коллектор - его выходом.4. The device according to claim 2, characterized in that the first additional current follower with a dead zone is made in the form of a cascade with a common base on an n-pn transistor, the emitter of which is its input, and the collector is its output. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что второй дополнительный повторитель тока с зоной нечувствительности выполнен в виде каскада с общей базой на р-n-р-транзисторе, эмиттер которого является его входом, а коллектор - его выходом.5. The device according to claim 2, characterized in that the second additional current follower with a dead zone is made in the form of a cascade with a common base on a pnp transistor, the emitter of which is its input, and the collector is its output. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схему введен первый вспомогательный повторитель тока, согласованный с шиной положительного источника питания, причем эмиттер второго р-n-р-транзистора входного каскада соединен со входом первого вспомогательного повторителя тока через третий повторитель тока с зоной нечувствительности, а выход первого вспомогательного повторителя тока соединен со входом второго повторителя тока, согласованного с шиной отрицательного источника питания.6. The device according to claim 1, characterized in that the first auxiliary current repeater is inserted into the circuit, which is aligned with the bus of a positive power supply, the emitter of the second pnp transistor of the input stage being connected to the input of the first auxiliary current repeater through a third current repeater with a dead zone, and the output of the first auxiliary current repeater is connected to the input of the second current repeater, consistent with the bus of the negative power source. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схему введен второй вспомогательный повторитель тока, согласованный с шиной отрицательного источника питания, причем эмиттер второго n-р-n-транзистора входного каскада соединен со входом второго вспомогательного повторителя тока через четвертый повторитель тока с зоной нечувствительности, а выход второго вспомогательного повторителя тока соединен со входом первого повторителя тока, согласованного с шиной положительного источника питания.7. The device according to claim 1, characterized in that a second auxiliary current repeater is introduced into the circuit, consistent with the bus of the negative power source, the emitter of the second npn transistor of the input stage being connected to the input of the second auxiliary current repeater through the fourth current repeater with a dead zone, and the output of the second auxiliary current repeater is connected to the input of the first current repeater, consistent with the bus of the positive power source. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй противофазные токовые выходы входного каскада, согласованные с шиной положительного источника питания, первый и второй противофазные токовые выходы входного каскада, согласованные с шиной отрицательного источника питания, обеспечивают усиление только малых сигналов, а входной каскад имеет первый и второй вспомогательные синфазные токовые выходы для большого сигнала, согласованные соответственной с шиной положительного и отрицательного источника питания, которые соединены соответственно со входами первого и второго повторителей тока.8. The device according to claim 1, characterized in that the first and second antiphase current outputs of the input stage, matched with the bus of the positive power supply, the first and second antiphase current outputs of the input stage, matched with the bus of the negative power source, provide amplification of only small signals, and the input stage has first and second auxiliary common-mode current outputs for a large signal, matched with the bus of the positive and negative power supply, which are connected to respectively with the inputs of the first and second current repeaters.
RU2003129692/09A 2003-10-06 2003-10-06 Operational amplifier RU2255416C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003129692/09A RU2255416C1 (en) 2003-10-06 2003-10-06 Operational amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003129692/09A RU2255416C1 (en) 2003-10-06 2003-10-06 Operational amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003129692A RU2003129692A (en) 2005-04-10
RU2255416C1 true RU2255416C1 (en) 2005-06-27

Family

ID=35611251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003129692/09A RU2255416C1 (en) 2003-10-06 2003-10-06 Operational amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2255416C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2642337C1 (en) * 2016-11-30 2018-01-24 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Bipolar-field operating amplifier
RU2652504C1 (en) * 2017-09-20 2018-04-26 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) High-speed differential operational amplifier

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2642337C1 (en) * 2016-11-30 2018-01-24 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Bipolar-field operating amplifier
RU2652504C1 (en) * 2017-09-20 2018-04-26 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) High-speed differential operational amplifier

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003129692A (en) 2005-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Duque-Carrillo et al. 1-V rail-to-rail operational amplifiers in standard CMOS technology
KR100770731B1 (en) Rail-to-rail class ab amplifier
EP1354399B1 (en) Differential amplifier with large input common mode signal range
EP0840442B1 (en) A two-stage fully differential operational amplifier with efficient common-mode feed back circuit
KR100275177B1 (en) Low-voltage differential amplifier
RU2364020C1 (en) Differential amplifier with negative in-phase signal feedback
JP3088262B2 (en) Low distortion differential amplifier circuit
US20100156385A1 (en) Multi-Mode Amplifier
Toledo et al. A 300mv-supply, 2nw-power, 80pf-load cmos digital-based ota for iot interfaces
US7187236B2 (en) Rail-to-rail differential input amplification stage with main and surrogate differential pairs
RU2346382C1 (en) Differential amplifier with paraphase output
Safari et al. A simple low voltage, high output impedance resistor based current mirror with extremely low input and output voltage requirements
RU2255416C1 (en) Operational amplifier
KR20040066006A (en) Amplifier Circuit
Huijsing et al. Monolithic operational amplifier design with improved HF behaviour
RU2374756C1 (en) Multidifferential amplifer
US20060119431A1 (en) Differential operational amplifier
RU2319296C1 (en) Fast action differential amplifier
CN113595513A (en) Method for reducing offset voltage of operational amplifier by using feedback structure
CN114499416A (en) Operational amplifier circuit and chip
RU2452077C1 (en) Operational amplifier with paraphase output
RU2536376C1 (en) Operational amplifier with paraphase output
RU2280318C1 (en) Operational amplifier
Choe et al. Ultra-low-power class-AB bulk-driven OTA with enhanced transconductance
RU2319288C1 (en) Differential amplifier using low-voltage power supply

Legal Events

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

Effective date: 20101007