RU2391768C2 - Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода - Google Patents
Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2391768C2 RU2391768C2 RU2008135624/09A RU2008135624A RU2391768C2 RU 2391768 C2 RU2391768 C2 RU 2391768C2 RU 2008135624/09 A RU2008135624/09 A RU 2008135624/09A RU 2008135624 A RU2008135624 A RU 2008135624A RU 2391768 C2 RU2391768 C2 RU 2391768C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- collector
- additional
- bases
- transistors
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения (например, решающих усилителях, драйверах линий связи). Технический результат: повышение максимальной скорости нарастания выходного напряжения. Операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной каскад (1) с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом (2) и втором (3) выходных транзисторах (Т), базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания (ИП) (4) через первый (5) и второй (6) низкоомные резисторы и подключены к выходам (7) и (8) входного каскада (1), выходной буферный каскад (9), вход которого соединен с корректирующим конденсатором (10), выходом (11) токового зеркала (ТЗ) (12) и коллектором Т (3), причем вход (13) ТЗ (12) подключен к коллектору Т (2). В схему введены первый (14) и второй (15) дополнительные Т, базы которых соединены с эмиттером Т (2), третий (16) и четвертый (17) дополнительные Т, базы которых соединены с эмиттером Т (3), причем коллекторы Т (15) и Т (16) соединены с базами Т (2) и Т (3) и подключены к дополнительному двухполюснику I18, коллектор Т (14) соединен с коллектором Т (3), коллектор Т (17) соединен с выходом (11) ТЗ (12), а эмиттеры всех дополнительных Т (14, 15, 16, 17) связаны с шиной ИП (4). 7 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения (например, решающих усилителях, драйверах линий связи).
Известны схемы так называемых перегнутых каскодных операционных усилителей (ОУ) на n-p-n- и p-n-p-транзисторах [1-40], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УДЗ и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ОУ на их модификации выдано более 50 патентов для ведущих производителей микроэлектронных изделий. Предлагаемое изобретение относится к этому подклассу устройств.
Среди ОУ данного подкласса можно выделить два типа устройств, имеющие в качестве нагрузки токовые зеркала (патент США №4.600.893 (fig. 7) или содержащие симметричную нагрузку в виде резисторов или источников опорного тока (патент США №4.600.893).
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №4.600.893, fig.7, содержащий входной каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом 2 и втором 3 выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания 4 через первый 5 и второй 6 низкоомные резисторы и подключены к выходам 7 и 8 входного каскада с расширенным диапазоном активной работы 1, выходной буферный каскад 9, вход которого соединен с корректирующим конденсатором 1, выходом 11 токового зеркала 11 и коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход 13 токового зеркала 12 подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада.
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что из-за нелинейных режимов работ применяемого «перегнутого» каскода он имеет небольшие значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения (ϑвых). Так, при частоте единичного усиления fср=30 МГц и «идеальном» входном каскаде (1), обладающим линейным диапазоном активной работы во всем диапазоне изменения входного напряжения, максимальная скорость нарастания ϑвых замкнутого ОУ лежит в диапазоне 50÷100 В /мкс. Это недостаточно для многих применений.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении в 5÷10 раз максимальной скорости нарастания выходного напряжения.
Поставленная цель достигается тем, что в быстродействующем операционном усилителе, фиг.1, содержащем входной каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом 2 и втором 3 выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания 4 через первый 5 и второй 6 низкоомные резисторы и подключены к выходам 7 и 8 входного каскада с расширенным диапазоном активной работы 1, выходной буферный каскад 9, вход которого соединен с корректирующим конденсатором 10, выходом 11 токового зеркала 12 и коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход 13 токового зеркала 12 подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 14 и второй 15 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, третий 16 и четвертый 17 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем коллекторы второго 15 и третьего 16 дополнительных транзисторов соединены с базами первого 2 и второго 3 выходных транзисторов промежуточного каскада и подключены к дополнительному двухполюснику 18, коллектор первого 14 дополнительного транзистора соединен с коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, коллектор четвертого 17 дополнительного транзистора соединен с выходом 11 токового зеркала 12, а эмиттеры всех дополнительных транзисторов 14, 15,16, 17 связаны с шиной источника питания 4.
Схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения показана на фиг.2.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства (фиг.2) в среде компьютерного моделирования Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НИИ «Пульсар», а на фиг.4 - схема ОУ-прототипа (фиг.1).
На фиг.5 приведена схема входного каскада 1, которая использовалась при моделировании в ОУ, фиг.3 и фиг.4.
Фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики ОУ, фиг.4 (без НКЦ), и заявляемого ОУ, фиг.3 (с НКЦ), приведены на фиг.6. Эти графики показывают, что частота единичного усиления заявляемого ОУ увеличилась почти в два раза до 55,6 МГц.
Переходные процессы в сравниваемых ОУ, фиг.3 и фиг.4, при одинаковых статических режимах транзисторов и различных сопротивлениях токоограничивающих резисторов R в эмиттерных цепях транзисторов 14-17 (фиг.3, R=R1=R2=R3=R4) приведены на фиг.7. Эти графики показывают, что в предлагаемой схеме ОУ максимальная скорость нарастания выходного напряжения возрастает в 8 раз при одновременном повышении частоты единичного усиления ОУ в два раза (фиг.6).
Быстродействующий операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом 2 и втором 3 выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания 4 через первый 5 и второй 6 низкоомные резисторы и подключены к выходам 7 и 8 входного каскада с расширенным диапазоном активной работы 1, выходной буферный каскад 9, вход которого соединен с корректирующим конденсатором 10, выходом 11 токового зеркала 12 и коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход 13 токового зеркала 12 подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада. В схему введены первый 14 и второй 15 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, третий 16 и четвертый 17 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем коллекторы второго 15 и третьего 16 дополнительных транзисторов соединены с базами первого 2 и второго 3 выходных транзисторов промежуточного каскада и подключены к дополнительному двухполюснику 18, коллектор первого 14 дополнительного транзистора соединен с коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, коллектор четвертого 17 дополнительного транзистора соединен с выходом 11 токового зеркала 12, а эмиттеры всех дополнительных транзисторов 14, 15, 16, 17 связаны с шиной источника питания 4.
Рассмотрим работу схемы ОУ, фиг.2.
В статистическом режиме токи I5=I6 через резисторы 5 и 6 связаны с выходными токами входного каскада (1) и эмиттерными токами Iэ2=Iэ3 выходных транзисторов 2 и 3 следующими уравнениями Кирхгофа:
где I7=I8 - выходные статистические токи входного каскада (1);
Uэб≈0,7В - напряжение эмиттер - база транзисторов 14, 15, 16, 17.
Эмиттерные токи транзисторов 14÷17 определяются током двухполюсника 18:
Входной I13 и выходной I11 токи токового зеркала (12) удовлетворяют условию:
где Кi12.12≈1 - коэффициент передачи по току токового зеркала 12.
При введении 100% отрицательной обратной связи с выхода буферного каскада (9) на инвертирующий вход Вх.1(-) на выходе ОУ устанавливается статистическое напряжение неинвертирующего входа Вх.2(+). В частном случае это напряжение равно нулю.
Если на неинвертирующий вход Вх.2(+) подается большой импульсный сигнал евх с амплитудой, близкой к напряжению питания, то это приводит к увеличению на i8 (+) выходного тока I8 и уменьшению на i7 (+)тока I7 входного каскада (1)
где Sэф - эффективная крутизна проходной характеристики входного каскада (1) на большом сигнале.
Для получения предельных величин максимальной скорости нарастания выходного напряжения ϑвых эффективная крутизна для большого сигнала Sэф должна соответствовать максимальному значению S входного каскада (ВК) (1). С этой целью в быстродействующих ОУ применяются различные способы нелинейной коррекции ВК [41].
Однако данный способ повышения быстродействия, дающий хорошие результаты в ОУ с другой архитектурой [41, 42], становится непригодным в ОУ с «перегнутыми» каскодами в связи с их структурными особенностями.
Действительно, классический «перегнутый» каскод, фиг.1, не обеспечивает во время переходного процесса большие токи перезаряда корректирующего конденсатора 
пропорциональные выходным токам входного каскада: I7±i7, I8±i8. Практические значения 
в схеме ОУ-прототипе (фиг.1) не больше, чем статистические токи через резисторы 5 и 6:
Это является основной причиной низкого быстродействия ОУ в режиме большого сигнала.
В заявляемой схеме ОУ имеется два канала передачи сигналов от узлов 7, 8 к корректирующему конденсатору 10. Первый - высокочастотный канал с ограничением выходного тока через транзистор 2. Второй канал более инерционный - от узла 8 через транзистор 17. Причем второй канал обеспечивает пропорциональность между выходным током входного каскада 
и зарядным током 
во время отсечки первого канала.
Большой разрядный ток 
во время отрицательного фронта евх обеспечивает токовое зеркало 12, на вход 13 которого поступает коллекторный ток транзистора 14 
, пропорциональный выходному току 
входного каскада.
Транзисторы 15 и 16 выполняют две функции. С одной стороны, они устанавливают статистический режим по цепи базы транзисторов 2 и 3 схемы ОУ. С другой, они «выключают» транзисторы 2 и 3 во время переходного процесса, так как они не оказывают существенного влияния на процессы перезаряда емкости 10.
Представленные на фиг.6 и фиг.7 результаты компьютерного моделирования известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) ОУ показывают, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ ϑвых увеличивается в 8 раз при одновременном увеличении частоты единичного усиления в два раза.
Источники информации
1. Патент США №6.304.143
2. Патент США №5.418.491
3. Патент США №4.463.319
4. Патент США №6.717.474
5. Патент США №6.734.720
6. Патент США №4.723.111
7. Патент США №4.293.824
8. Патент США №5.323.121
9. Патент США №5.091.701
10. Патент США №4.406.990
11. Патент США №5.422.600
12. Патент США №6.788.143
13. Патент США №4.274.061
14. Патент США №5.327.100
15. Патент США №5.786.729
16. Патент США №3.644.838
17. Патент США №4.600.893
18. Патент США №4.390.850
19. Патент США №6.628.168
20. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
21. Патент США №6.218.900, фиг.1
22. Патентная заявка US 2002/0196079
23. Патент США Re 30.587
24. Патент ЕР 1.227.580
25. Патент США №6.714.076
26. Патентная заявка US 2004/0090268 А1
27. Патент США №4.959.622, фиг.1
28. Патент США №6.018.268
29. Патент США №5.952.882
30. Патент США №6.580.325
31. Патент США №6.965.266
32. Патент США №6.867.643
33. Патент США №6.236.270
34. Патент США №6.229.394
35. Патент США №5.734.296
36. Патент США №5.477.190
37. Патент США №6.084.475
38. Патент США №3.733.559
39. Патентная заявка US 2005/0001682 А1
40. Патент США №6.300.831
41. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей [Текст] / Н.Н. Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.
42. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979. - 148 с.
Claims (1)
- Быстродействующий операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода, содержащий входной каскад (1) с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом (2) и втором (3) выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания (4) через первый (5) и второй (6) низкоомные резисторы и подключены к выходам (7) и (8) входного каскада с расширенным диапазоном активной работы (1), выходной буферный каскад (9), вход которого соединен с корректирующим конденсатором (10), выходом (11) токового зеркала (12) и коллектором второго (3) выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход (13) токового зеркала (12) подключен к коллектору первого (2) выходного транзистора промежуточного каскада, отличающийся тем, что в схему введены первый (14) и второй (15) дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером первого (2) выходного транзистора промежуточного каскада, третий (16) и четвертый (17) дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером второго (3) выходного транзистора промежуточного каскада, причем коллекторы второго (15) и третьего (16) дополнительных транзисторов соединены с базами первого (2) и второго (3) выходных транзисторов промежуточного каскада и подключены к дополнительному двухполюснику (I18), коллектор первого (14) дополнительного транзистора соединен с коллектором второго (3) выходного транзистора промежуточного каскада, коллектор четвертого (17) дополнительного транзистора соединен с выходом (11) токового зеркала (12), а эмиттеры всех дополнительных транзисторов (14, 15, 16, 17) связаны с шиной источника питания (4).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008135624/09A RU2391768C2 (ru) | 2008-09-02 | 2008-09-02 | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008135624/09A RU2391768C2 (ru) | 2008-09-02 | 2008-09-02 | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008135624A RU2008135624A (ru) | 2010-03-10 |
| RU2391768C2 true RU2391768C2 (ru) | 2010-06-10 |
Family
ID=42134852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008135624/09A RU2391768C2 (ru) | 2008-09-02 | 2008-09-02 | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2391768C2 (ru) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2468500C1 (ru) * | 2011-10-12 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Каскодный дифференциальный усилитель |
| RU2572380C1 (ru) * | 2014-11-18 | 2016-01-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов |
| RU2592455C1 (ru) * | 2015-07-06 | 2016-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
| RU2626667C1 (ru) * | 2016-07-11 | 2017-07-31 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Многоканальный быстродействующий операционный усилитель |
| RU2784049C1 (ru) * | 2022-08-13 | 2022-11-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Неинвертирующий выходной каскад арсенид-галлиевого операционного усилителя |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2475946C1 (ru) * | 2011-10-26 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами |
| RU2475945C1 (ru) * | 2011-10-26 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Избирательный усилитель |
-
2008
- 2008-09-02 RU RU2008135624/09A patent/RU2391768C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2468500C1 (ru) * | 2011-10-12 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Каскодный дифференциальный усилитель |
| RU2572380C1 (ru) * | 2014-11-18 | 2016-01-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов |
| RU2592455C1 (ru) * | 2015-07-06 | 2016-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
| RU2626667C1 (ru) * | 2016-07-11 | 2017-07-31 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Многоканальный быстродействующий операционный усилитель |
| RU2784049C1 (ru) * | 2022-08-13 | 2022-11-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Неинвертирующий выходной каскад арсенид-галлиевого операционного усилителя |
| RU2784706C1 (ru) * | 2022-09-19 | 2022-11-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Быстродействующий операционный усилитель с дифференцирующими цепями коррекции переходного процесса |
| RU2810544C1 (ru) * | 2023-10-09 | 2023-12-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Операционный усилитель с повышенной максимальной скоростью нарастания выходного напряжения |
| RU2811070C1 (ru) * | 2023-10-09 | 2024-01-11 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
| RU2810548C1 (ru) * | 2023-10-15 | 2023-12-27 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Быстродействующий операционный усилитель |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008135624A (ru) | 2010-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2391768C2 (ru) | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
| US7298210B2 (en) | Fast settling, low noise, low offset operational amplifier and method | |
| US7471150B2 (en) | Class AB folded cascode stage and method for low noise, low power, low-offset operational amplifier | |
| Van De Plassche | A wide-band monolithic instrumentation amplifier [application of voltage-current convertor] | |
| RU2364020C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу | |
| JPH08250941A (ja) | 低歪差動増幅回路 | |
| JPH077342A (ja) | 差動増幅器 | |
| US5495201A (en) | Transconductor stage | |
| CN111262537B (zh) | 一种跨导放大器 | |
| CN101834575A (zh) | 运算放大器 | |
| RU2626667C1 (ru) | Многоканальный быстродействующий операционный усилитель | |
| JPH1070421A (ja) | 増幅回路 | |
| RU2310268C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием | |
| RU2319291C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| CN112152580A (zh) | 射极跟随器电路、多级放大器 | |
| RU2683851C1 (ru) | Многоканальный быстродействующий операционный усилитель | |
| RU2797043C1 (ru) | Входной каскад быстродействующего дифференциального операционного усилителя с нелинейной коррекцией переходного процесса | |
| CN216252673U (zh) | 提高回转率的放大器 | |
| RU2790615C1 (ru) | Быстродействующий буферный усилитель с нелинейной коррекцией класса ав | |
| RU2826707C1 (ru) | Входной дифференциальный каскад быстродействующего операционного усилителя | |
| RU2797168C1 (ru) | Быстродействующий операционный усилитель с дифференцирующими цепями коррекции в мостовом входном дифференциальном каскаде | |
| CN217116034U (zh) | 动态偏置低功耗高速运算放大器 | |
| CN212543736U (zh) | 射极跟随器电路、多级放大器 | |
| WO2000079680A1 (en) | Amplifier with improved, high precision, high speed and low power consumption architecture | |
| RU2309528C1 (ru) | Выходной каскад быстродействующего операционного усилителя |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130903 |