RU2504896C1 - Входной каскад быстродействующего операционного усилителя - Google Patents
Входной каскад быстродействующего операционного усилителя Download PDFInfo
- Publication number
- RU2504896C1 RU2504896C1 RU2012134831/08A RU2012134831A RU2504896C1 RU 2504896 C1 RU2504896 C1 RU 2504896C1 RU 2012134831/08 A RU2012134831/08 A RU 2012134831/08A RU 2012134831 A RU2012134831 A RU 2012134831A RU 2504896 C1 RU2504896 C1 RU 2504896C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- transistors
- auxiliary
- current
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала за счет новых элементов связи. Входной каскад быстродействующего операционного усилителя содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый (3) и второй (4) вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов с объединенными базами, первый (7) и второй (8) входы устройства, связанные с соответствующими базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, третий (9) и четвертый (10) вспомогательные резисторы, первый (11) и второй (12) вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый (13) токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства (14), (15), (16), (17), связанные с коллекторами входных (1), (2) и выходных (5), (6) транзисторов. 18 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ)).
Известны схемы входных каскадов ОУ выполненных в виде дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-т и p-n-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя µА741» [1-30].
На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом [29-30], стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Это связано с тем, что в таких ДУ минимизируется входная емкость из-за отсутствия эффекта Миллера. Предполагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является входной каскад операционного усилителя, описанный в патенте US 4.059.808, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый 3 и второй 4 вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов с объединенными базами, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый 13 токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства 14, 15, 16, 17, связанные с коллекторами входных 1, 2 и выходных 5, 6 транзисторов.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет сравнительно узкий динамический диапазон (Uгр) линейного усиления дифференциальных сигналов (Uвх.max<Uгр≈100÷150 мВ). Как показано в [31], это обстоятельство является главной причиной невысокого быстродействия современных операционных усилителей, обусловленной нелинейным режимом работы входного каскада ОУ. При этом для большинства ОУ с высокоимпедансным узлом и одним корректирующим конденсатором максимальная скорость нарастания выходного напряжения
где fcp - частота единичного усиления (частота среза) скорректированного ОУ;
Uгр - напряжение ограничения проходной характеристики iвых=f(uвх) входного каскада (для классических ДУ Uгр=50÷100 мВ).
Из (1) следует, что повышение υвых можно осуществить двумя качественно разными путями:
1) Увеличением диапазона активной работы входного ДУ (параметра Uгр) без изменения крутизны преобразования входного напряжения в выходные токи ДУ;
2) Повышением fcp за счет улучшения частотных свойств транзисторов, что связано, прежде всего, с использованием более высокочастотных техпроцессов (SG25VD, SG25H1, SG25RH и др.).
Заявляемый входной каскад ОУ решает задачу повышения быстродействия за счет увеличения (без изменения крутизны) более чем на порядок (до Uгр=1÷2 В) диапазона линейной работы.
Таким образом, основная задача предполагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала - получении Uгр>> 100 мВ.
Поставленная задача достигается тем, что во входном каскаде операционного усилителя фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый 3 и второй 4 вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов с объединенными базами, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый 13 токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства 14, 15, 16, 17, связанные с коллекторами входных 1, 2 и выходных 5, 6 транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер второго 2 входного транзистора подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 13 через второй 12 вспомогательный прямосмещенный р-n переход, эмиттер первого 1 входного транзистора подключен к дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 18 через первый 11 прямосмещенный р-n переход, между общим узлом 19 первого 11 вспомогательного прямос-мещенного р-n перехода и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 18 и общим узлом 20 второго 12 вспомогательного прямосмещенно-го р-n перехода и первого 13 токостабилизирующего двухполюсника включены последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, общий узел 21 которых соединен с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов.
Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показана возможная архитектура быстродействующего операционного усилителя с предлагаемым входным каскадом фиг.2.
На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»
На чертеже фиг.5 представлена зависимость разности выходных токов (I(out1) - I(out2)) и (I(out3) - I(out4)) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения uвх
На чертеже фиг.6 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out3) и I(out4) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения uвх. Зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения uвх представлена на чертеже фиг.7.
На чертеже фиг.8 показана схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертежах фиг.9-фиг.12 зависимости разности выходных токов (I(out1) - I(out2)) и (I(out3) - I(out4)) от входного напряжения uвх ДУ фиг.8 при различных значениях сопротивления Rvar.
На чертеже фиг.13 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения uвх при сопротивлении Rvar=200 Ом, а на чертеже фиг.14 - зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения uвх при сопротивлении Rvar=200 Ом.
На чертеже фиг.15 показана зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения uвх при сопротивлении Rvar=1 кОм, а на чертеже фиг.16 зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения uвх при сопротивлении Rvar=1 кОм в увеличенном масштабе.
На чертеже фиг.17 представлена зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения uвх при сопротивлении Rvar=1 кОм, а на чертеже фиг.18 зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения uвх при сопротивлении Rvar=1 кОм в увеличенном масштабе.
Входной каскад быстродействующего операционного усилителя фиг.2 содержит содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый 3 и второй 4 вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов с объединенными базами, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый 13 токоста-билизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства 14, 15, 16, 17, связанные с коллекторами входных 1, 2 и выходных 5, 6 транзисторов. Эмиттер второго 2 входного транзистора подключен к первому токостабилизи-рующему двухполюснику 13 через второй 12 вспомогательный прямосмещенный р-n переход, эмиттер первого 1 входного транзистора подключен к дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 18 через первый 11 прямосмещенный р-n переход, между общим узлом 19 первого 11 вспомогательного прямосмещенного р-n перехода и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 18 и общим узлом 20 второго 12 вспомогательного прямосмещенного р-n перехода и первого 13 токостабилизирующего двухполюсника включены последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, общий узел 21 которых соединен с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов.
В быстродействующем операционном усилителе фиг.3 используется предлагаемый входной каскад 22 (фиг.2), токовый выход 14 которого соединен со входом первого 23 токового зеркала, а токовый выход 17 подключен ко входу второго 24 токового зеркала, причем выходы токовых зеркал 23 и 24 связаны со входом буферного усилителя 25 и корректирующим конденсатором 26. В частном случае ОУ фиг.3 охвачен 100% обратной связью.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.
В связи с тем, что падение напряжения на резисторах 9, 10, создаваемое токами базы Iб транзисторов 5 и 6, мало, статические токи всех транзисторов схемы определяются токами токостабилизирущих двухполюсников 18 и 13. При этом за счет увеличения площадей эмиттерных переходов транзисторов 5 и 6 можно при нулевом входном напряжении ДУ обеспечить следующие эмиттерные токи транзисторов схемы
где I0=I18=I13 - ток двухполюсников 13 и 18.
Если напряжение на первом 7 входе (Вх.1) ДУ становится больше напряжения на втором 8 входе ДУ, то коллекторные токи транзисторов 1 и 5 увеличиваются, а транзисторов 2 и 4 уменьшаются. При этом часть входного дифференциального напряжения «выделяется» на резисторе 9 (10), что приводит к увеличению «открывающего» напряжения между базой транзистора 1 и базой транзистора 5
Таким образом коллекторные выходные токи транзисторов 1 и 5 будут пропорциональны входному напряжению
где rэ1, rэ5 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1 и 5;
R9=R10 - сопротивления резисторов 9 и 10;
β5 - коэффициент усиления по току базы транзистора 5;
R3 - сопротивление первого 3 низкоомного (10÷20 Ом) вспомогательного резистора.
Учитывая, что при увеличении Iэ1 сопротивления rэ1 и rэ5 уменьшаются, из (3) можно найти, что
Уравнение (4) справедливо для следующих амплитуд входных напряжений
Таким образом, диапазон активной работы ДУ фиг.2 определяется произведением (5) и может выбираться в соответствии с требуемыми значениями к максимальной скорости нарастания выходного напряжения (υвых) операционного усилителя (1). Данные выводы подтверждаются графиками фиг.9-фиг.18, из которых следует, что диапазон активной работы заявляемого ДУ увеличивается на порядок в сравнении с Uгр ДУ-прототипа.
Таким образом лроходная характеристика iвых=f(uвх) заявляемого ДУ "продлевается" в область больших токов (фиг.9 - фиг.18), значительно превышающих статические токи транзисторов ДУ. Это характерно для транзисторных каскадов класса «АВ»
При отрицательном uвх ДУ фиг.2 работает аналогично.
Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.8, представленные на графиках фиг.9-фиг.18, подтверждают полученные выше теоретические выводы.
Предлагаемый ДУ имеет существенное преимущество в сравнении с ДУ-прототипом и может использоваться в структуре быстродействующих операционных усилителей различного функционального назначения, а также в аналоговых микросхемах с широким диапазоном линейной работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №3.786.362
2. Патент США №4.030.044
3. Патент США №4.059.808, фиг.5
4. Патент США №4.286.227
5. Авт.свид. СССР №375754, H03f 3/38
6. Авт.свид. СССР №843164, H03f 3/30
7. Патент США №3.660.773
8. Патент США №4.560.948
9. Патент РФ №2930041, H03f 1/32
10. Патент Японии №57-5364, H03f 3/343
11. Патент ЧССР №134845, кл. 21а2 18/08
12. Патент ЧССР №134849, кл. 21а2 18/08
13. Патент ЧССР №135326, кл. 21а2 18/08
14. Патент США №4.389.579
15. Патент Англии №1543361, Н3Т
16. Патент США №5.521.552 (фиг.3а)
17. Патент США №4.059.808
18. Патент США №5.789.949
19. Патент США №4.453.134
20. Патент США №4.760.286
21. Авт.свид. СССР №1283946
22. Патент РФ №2019019
23. Патент США №4.389.579
24. Патент США №4.453.092
25. Патент США №3.566.289
26. Патент США №4.059.808 (фиг.2)
27. Патент США №3.649.926
28. Патент США №4.714.894 (фиг.1)
29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.
30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.
31. 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)
- Входной каскад быстродействующего операционного усилителя, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый (3) и второй (4) вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов с объединенными базами, первый (7) и второй (8) входы устройства, связанные с соответствующими базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, третий (9) и четвертый (10) вспомогательные резисторы, первый (11) и второй (12) вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый (13) токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства (14), (15), (16), (17), связанные с коллекторами входных (1), (2) и выходных (5), (6) транзисторов, отличающийся тем, что эмиттер второго (2) входного транзистора подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику (13) через второй (12) вспомогательный прямосмещенный р-n переход, эмиттер первого (1) входного транзистора подключен к дополнительному токостабилизирующему двухполюснику (18) через первый (11) прямосмещенный р-n переход, между общим узлом (19) первого (11) вспомогательного прямосмещенного р-n перехода и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника (18) и общим узлом (20) второго (12) вспомогательного прямосмещенного р-n перехода и первого (13) токостабилизирующего двухполюсника включены последовательно соединенные третий (9) и четвертый (10) вспомогательные резисторы, общий узел (21) которых соединен с базами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012134831/08A RU2504896C1 (ru) | 2012-08-14 | 2012-08-14 | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012134831/08A RU2504896C1 (ru) | 2012-08-14 | 2012-08-14 | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2504896C1 true RU2504896C1 (ru) | 2014-01-20 |
Family
ID=49948093
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012134831/08A RU2504896C1 (ru) | 2012-08-14 | 2012-08-14 | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2504896C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2668983C1 (ru) * | 2017-11-09 | 2018-10-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU830429A1 (ru) * | 1979-08-09 | 1981-05-15 | Минский радиотехнический институт | Функциональный преобразовательНАпР жЕНи |
| SU1599975A1 (ru) * | 1988-09-13 | 1990-10-15 | Предприятие П/Я А-1298 | Формирователь импульсов |
| US5363065A (en) * | 1992-03-18 | 1994-11-08 | U.S. Philips Corporation | Frequency synthesizer utilizing a fast switching current mirror circuit and apparatus comprising such a synthesizer |
| RU4650U1 (ru) * | 1995-08-17 | 1997-07-16 | Московское конструкторское бюро "Электрон" | Устройство для измерения параметров сигналов телевизионного вещания |
| US20050218944A1 (en) * | 2004-02-25 | 2005-10-06 | Stmicroelectronics Sa | Power amplification circuit and operational amplifier incorporating said circuit |
| US7106132B1 (en) * | 2004-10-27 | 2006-09-12 | Cirrus Logic, Inc. | Feed-forward operational amplifiers and methods of using the same |
| RU2346382C1 (ru) * | 2007-12-06 | 2009-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с парафазным выходом |
| RU2365029C1 (ru) * | 2007-11-27 | 2009-08-20 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля |
-
2012
- 2012-08-14 RU RU2012134831/08A patent/RU2504896C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU830429A1 (ru) * | 1979-08-09 | 1981-05-15 | Минский радиотехнический институт | Функциональный преобразовательНАпР жЕНи |
| SU1599975A1 (ru) * | 1988-09-13 | 1990-10-15 | Предприятие П/Я А-1298 | Формирователь импульсов |
| US5363065A (en) * | 1992-03-18 | 1994-11-08 | U.S. Philips Corporation | Frequency synthesizer utilizing a fast switching current mirror circuit and apparatus comprising such a synthesizer |
| RU4650U1 (ru) * | 1995-08-17 | 1997-07-16 | Московское конструкторское бюро "Электрон" | Устройство для измерения параметров сигналов телевизионного вещания |
| US20050218944A1 (en) * | 2004-02-25 | 2005-10-06 | Stmicroelectronics Sa | Power amplification circuit and operational amplifier incorporating said circuit |
| US7106132B1 (en) * | 2004-10-27 | 2006-09-12 | Cirrus Logic, Inc. | Feed-forward operational amplifiers and methods of using the same |
| RU2365029C1 (ru) * | 2007-11-27 | 2009-08-20 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля |
| RU2346382C1 (ru) * | 2007-12-06 | 2009-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с парафазным выходом |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2668983C1 (ru) * | 2017-11-09 | 2018-10-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2566963C1 (ru) | Дифференциальный входной каскад быстродействующего операционного усилителя для кмоп-техпроцессов | |
| US11005428B2 (en) | Differential input circuit, amplification circuit, and display apparatus | |
| RU2391768C2 (ru) | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
| RU2421887C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2504896C1 (ru) | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя | |
| RU2390916C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель | |
| RU2509406C1 (ru) | Входной каскад быстродействующего операционного усилителя | |
| RU2354041C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2439780C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2321159C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2510570C1 (ru) | Комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя | |
| RU2331964C1 (ru) | Преобразователь "напряжение-ток" | |
| RU2519544C1 (ru) | Комплементарный дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы | |
| RU2432666C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2319291C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2321158C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2419187C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенной стабильностью нулевого уровня | |
| RU2446554C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2390921C1 (ru) | Операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2469465C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2374758C1 (ru) | Комплементарный каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2595926C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| RU2421894C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2459348C1 (ru) | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления | |
| RU2390914C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140815 |