RU2621289C1 - Two-stage differential operational amplifier with higher gain - Google Patents

Two-stage differential operational amplifier with higher gain Download PDF

Info

Publication number
RU2621289C1
RU2621289C1 RU2015154394A RU2015154394A RU2621289C1 RU 2621289 C1 RU2621289 C1 RU 2621289C1 RU 2015154394 A RU2015154394 A RU 2015154394A RU 2015154394 A RU2015154394 A RU 2015154394A RU 2621289 C1 RU2621289 C1 RU 2621289C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
transistor
auxiliary
input
differential stage
Prior art date
Application number
RU2015154394A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Олег Владимирович Дворников
Илья Викторович Пахомов
Петр Сергеевич Будяков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2015154394A priority Critical patent/RU2621289C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2621289C1 publication Critical patent/RU2621289C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45484Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection in differential amplifiers with bipolar transistors as the active amplifying circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: two-stage differential operational amplifier with higher gain includes an input differential stage, the first output transistor, the collector of which is connected to the input of the current mirror, a power supply unit, the second output transistor, the first auxiliary transistor, the second auxiliary transistor, the third auxiliary transistor, the first supplemental voltage follower, the fourth auxiliary transistor and the second supplementary voltage follower.
EFFECT: increased voltage gain while maintaining the high thermal and radiation stability of the zero bias voltage.
11 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов.The invention relates to the field of electronics and can be used as a precision device for amplifying broadband signals.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) и трансимпедансные преобразователи, выполненные на базе входного дифференциального каскада (ДК) с активной нагрузкой в виде классических токовых зеркал [1-8], в т.ч. так называемых токовых зеркал Вильсона [9-12]. ОУ с такой архитектурой, в т.ч. с входными полевыми транзисторами, широко применяются в составе микросхем, выпускаемых как отечественными, так и зарубежными фирмами (СА3078, LM13600, LM13700, NE5517, AU5517) [9-12]. В них токовые зеркала обеспечивают высокую стабильность статического режима выходных транзисторов промежуточного каскада (ПК) ОУ, обеспечивающего основное усиление, и фактически преобразуют изменения выходных токов входного ДК в соответствующие приращения выходного тока ПК. Однако в схемах ОУ с данной архитектурой общий коэффициент усиления по напряжению (Kу) получается небольшим. Это связано с тем, что входное сопротивление классических токовых зеркал, на котором выделяются выходные напряжения входного ДК, не велико (десятки Ом) и, как следствие, входной каскад работает только в режиме преобразователя «напряжение-ток» и имеет малый коэффициент усиления по напряжению (KДК<1).In modern electronic equipment, differential operational amplifiers (op amps) and transimpedance converters based on an input differential stage (DC) with active load in the form of classical current mirrors [1–8], including the so-called Wilson current mirrors [9-12]. Shelter with such an architecture, incl. with input field-effect transistors, are widely used as part of microcircuits manufactured by both domestic and foreign companies (CA3078, LM13600, LM13700, NE5517, AU5517) [9-12]. In them, current mirrors provide high stability of the static mode of the output transistors of the intermediate stage (PC) of the op-amp, which provides the main gain, and in fact convert changes in the output currents of the input DC into the corresponding increments of the output current of the PC. However, in op amp circuits with this architecture, the overall voltage gain (K y ) is small. This is due to the fact that the input resistance of classical current mirrors, on which the output voltage of the input DC is allocated, is not large (tens of ohms) and, as a result, the input stage only works in the voltage-current converter mode and has a small voltage gain (K DK <1).

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 3.921.090, fig. 1. Кроме этого, данная архитектура ОУ приведена в других патентах [1-8] и справочниках [9-12].The closest prototype of the claimed device is an operational amplifier according to the patent US 3.921.090, fig. 1. In addition, this OS architecture is given in other patents [1-8] and references [9-12].

ОУ-прототип содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, согласованный по общей эмиттерной цепи 2 с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 противофазные токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 6 выходной транзистор, коллектор которого связан со входом токового зеркала 7, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, коллектор которого подключен к выходу токового зеркала 7 и токовому выходу устройства 9, первый 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен к первому 4 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен со второй 11 шиной источника питания, а база связана с базой второго 12 вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй 11 шиной источника питания, третий 13 вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен со второй 11 шиной источника питания, а база связана с базой четвертого 14 вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй 11 шиной источника питания.The op-amp prototype contains (Fig. 1) an input differential stage 1, matched along a common emitter circuit 2 with the first 3 bus of the power source, the first 4 and second 5 antiphase current outputs of the input differential stage 1, the first 6 output transistor, whose collector is connected to the input a current mirror 7, consistent with the first 3 bus of the power source, the second 8 output transistor, the collector of which is connected to the output of the current mirror 7 and the current output of the device 9, the first 10 auxiliary transistor, the collector of which is connected to the first 4 current output of the input differential stage 1, the emitter is connected to the second 11 power supply bus, and the base is connected to the base of the second 12 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second 11 power supply bus, the third 13 auxiliary transistor, the collector of which is connected to the second 5 the current output of the input differential stage 1, the emitter is connected to the second 11 bus of the power source, and the base is connected to the base of the fourth 14 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second 11 bus power source.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в нем невозможно получить повышенный коэффициент усиления по напряжению, т.к. его входной каскад не дает усиления по напряжению.A significant disadvantage of the known op-amp is that it is impossible to obtain an increased voltage gain in it, since its input stage does not provide voltage gain.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (Ку) двухкаскадного разомкнутого ОУ при сохранении высокой температурной и радиационной стабильности напряжения смещения нуля.The main objective of the invention is to increase the voltage gain (K y ) of a two-stage open-loop op-amp, while maintaining high temperature and radiation stability of the zero bias voltage.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном операционном усилителе (фиг. 1), содержащем входной дифференциальный каскад 1, согласованный по общей эмиттерной цепи 2 с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 противофазные токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 6 выходной транзистор, коллектор которого связан со входом токового зеркала 7, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, коллектор которого подключен к выходу токового зеркала 7 и токовому выходу устройства 9, первый 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен к первому 4 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен со второй 11 шиной источника питания, а база связана с базой второго 12 вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй 11 шиной источника питания, третий 13 вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен со второй 11 шиной источника питания, а база связана с базой четвертого 14 вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй 11 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - первый 4 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с базой первого 10 вспомогательного, а также базами первого 6 выходного и второго 12 вспомогательного транзисторов через первый 15 дополнительный повторитель напряжения, второй 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с базой третьего 13 вспомогательного, а также базами второго 8 выходного и четвертого 14 вспомогательного транзисторов через второй 16 дополнительный повторитель напряжения, коллектор четвертого 14 вспомогательного транзистора соединен с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 12 вспомогательного транзистора подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, причем эмиттеры первого 6 и второго 8 выходных транзисторов соединены со второй 11 шиной источника питания.The problem is achieved in that in a differential operational amplifier (Fig. 1), containing an input differential stage 1, matched along a common emitter circuit 2 with the first 3 bus of the power source, the first 4 and second 5 antiphase current outputs of the input differential stage 1, the first 6 output transistor, the collector of which is connected to the input of the current mirror 7, matched with the first 3 bus power supply, the second 8 output transistor, the collector of which is connected to the output of the current mirror 7 and the current output of the device Property 9, the first 10 auxiliary transistor, the collector of which is connected to the first 4 current output of the input differential stage 1, the emitter is connected to the second 11 power supply bus, and the base is connected to the base of the second 12 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second 11 power supply bus, the third 13 auxiliary transistor, the collector of which is connected to the second 5 current output of the input differential stage 1, the emitter is connected to the second 11 bus power supply, and the base is connected to the base of the fourth 14 the auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second 11 bus of the power source, new elements and connections are provided - the first 4 current output of the input differential stage 1 is connected to the base of the first 10 auxiliary, as well as the bases of the first 6 output and second 12 auxiliary transistors through the first 15 additional repeater voltage, the second 5 current output of the input differential stage 1 is connected with the base of the third 13 auxiliary, as well as the bases of the second 8 output and fourth 14 auxiliary trans Istorov through the second 16 additional voltage follower, the collector of the fourth 14 auxiliary transistor is connected to the first 4 current output of the input differential stage 1, the collector of the second 12 auxiliary transistor is connected to the second 5 current output of the input differential stage 1, and the emitters of the first 6 and second 8 output transistors are connected with a second 11 bus power supply.

На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа для случая, когда токовые зеркала Вильсона, являющиеся нагрузкой входного ДК1, реализованы на n-p-n-транзисторах 6, 10, 12 и 8, 13, 14, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.In FIG. 1 shows a diagram of an op-amp prototype for the case when Wilson current mirrors, which are the load of the input DC1, are implemented on n-p-n transistors 6, 10, 12 and 8, 13, 14, and in the drawing of FIG. 2 is a diagram of the inventive device in accordance with the claims.

На фиг. 3 приведена схема фиг.2 с конкретным выполнением первого 15 и второго 16 дополнительных повторителей напряжения.In FIG. 3 is a diagram of FIG. 2 with a specific embodiment of the first 15 and second 16 additional voltage followers.

В схеме фиг. 4 первый 6 выходной транзистор, первый 10 и второй 12 вспомогательные транзисторы, второй 8 выходной транзистор, третий 13 и четвертый 14 вспомогательные транзисторы выполнены в виде активных элементов с несколькими коллекторами и объединены в единую интегральную структуру. Для расширения вариантов установления статического режима транзисторов здесь могут использоваться вспомогательные источники опорного тока 26 и 27. Кроме этого, в данной схеме предусмотрен классический буферный усилитель 28, обеспечивающий низкоомный выход устройства 29.In the circuit of FIG. 4 the first 6 output transistor, the first 10 and second 12 auxiliary transistors, the second 8 output transistor, the third 13 and fourth 14 auxiliary transistors are made in the form of active elements with several collectors and combined into a single integrated structure. To expand the options for establishing a static mode of transistors, auxiliary sources of reference current 26 and 27 can be used here. In addition, the classic buffer amplifier 28 is provided in this circuit, providing a low-impedance output of the device 29.

В схеме фиг. 5 входной дифференциальный каскад 1 имеет 4 входа, что позволяет реализовать на базе данной структуры так называемый мультидифференциальный операционный усилитель, имеющий ряд неоспоримых преимуществ в сравнении с классическими ОУ [13].In the circuit of FIG. The 5 input differential stage 1 has 4 inputs, which makes it possible to implement the so-called multidifferential operational amplifier based on this structure, which has a number of undeniable advantages compared to classical op amps [13].

На фиг. 6 приведена схема ОУ фиг. 4 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 ОАО «Интеграл» (г. Минск).In FIG. 6 is a diagram of the opamp of FIG. 4 in the environment of PSpice on models of integrated transistors ABMK_1_4 of OJSC Integral (Minsk).

На фиг. 7 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 6 без отрицательной обратной связи (верхний график) и с отрицательной обратной связью (нижний график).In FIG. 7 shows the frequency response of the voltage gain of the op-amp of FIG. 6 without negative feedback (upper graph) and with negative feedback (lower graph).

На фиг. 8 приведена зависимость систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм) ОУ фиг. 6 от температуры в диапазоне минус 60÷+80°С (а) и потока нейтронов (б) для случая, когда транзисторы ОУ не имеют разброса параметров, а токовое зеркало 7 и буферный усилитель 28 идеальны. Это позволяет оценить предельные возможности архитектуры предлагаемого устройства, к которым можно стремиться.In FIG. 8 shows the dependence of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ) of the op-amp of FIG. 6 on temperature in the range of minus 60 ÷ + 80 ° С (a) and neutron flux (b) for the case when the op-amp transistors do not have a spread of parameters, and the current mirror 7 and buffer amplifier 28 are ideal. This allows you to evaluate the ultimate architecture capabilities of the proposed device, which you can strive for.

На фиг. 9 приведена схема ОУ фиг. 5 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 ОАО «Интеграл» (г. Минск).In FIG. 9 is a diagram of the opamp of FIG. 5 in the environment of PSpice on models of integrated transistors ABMK_1_4 of OJSC Integral (Minsk).

На фиг. 10 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 9 без отрицательной обратной связи и со 100% отрицательной обратной связью.In FIG. 10 shows the frequency response of the voltage gain of the op-amp of FIG. 9 without negative feedback and with 100% negative feedback.

На фиг. 11 приведена зависимость систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм) схемы фиг.9 от температуры (а) и потока нейтронов (б) без учета разброса параметров элементов, а также идеальном токовом зеркале 7 и буферном усилителе 28.In FIG. 11 shows the dependence of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ) of the circuit of FIG. 9 on temperature (a) and neutron flux (b) without taking into account the spread in the parameters of the elements, as well as on the ideal current mirror 7 and buffer amplifier 28.

Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг. 2) содержит входной дифференциальный каскад 1, согласованный по общей эмиттерной цепи 2 с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 противофазные токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 6 выходной транзистор, коллектор которого связан со входом токового зеркала 7, согласованного с первой 3 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, коллектор которого подключен к выходу токового зеркала 7 и токовому выходу устройства 9, первый 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен к первому 4 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен со второй 11 шиной источника питания, а база связана с базой второго 12 вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй 11 шиной источника питания, третий 13 вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, эмиттер соединен со второй 11 шиной источника питания, а база связана с базой четвертого 14 вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй 11 шиной источника питания. В схему введены: первый 4 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с базой первого 10 вспомогательного, а также базами первого 6 выходного и второго 12 вспомогательного транзисторов через первый 15 дополнительный повторитель напряжения, второй 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан с базой третьего 13 вспомогательного, а также базами второго 8 выходного и четвертого 14 вспомогательного транзисторов через второй 16 дополнительный повторитель напряжения, коллектор четвертого 14 вспомогательного транзистора соединен с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 12 вспомогательного транзистора подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, причем эмиттеры первого 6 и второго 8 выходных транзисторов соединены со второй 11 шиной источника питания.A two-stage differential operational amplifier with a high gain (Fig. 2) contains an input differential stage 1, matched by a common emitter circuit 2 with the first 3 bus of the power source, the first 4 and second 5 opposite-phase current outputs of the input differential stage 1, the first 6 output transistor, the collector of which is connected to the input of the current mirror 7, coordinated with the first 3 bus of the power source, the second 8 output transistor, the collector of which is connected to the output of the current mirror 7 and the current output the device 9, the first 10 auxiliary transistor, the collector of which is connected to the first 4 current output of the input differential stage 1, the emitter is connected to the second 11 bus of the power source, and the base is connected to the base of the second 12 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second 11 bus of the power source , the third 13 auxiliary transistor, the collector of which is connected to the second 5 current output of the input differential stage 1, the emitter is connected to the second 11 bus of the power source, and the base is connected to the base of the four that 14 auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second 11 bus power source. The following are introduced into the circuit: the first 4 current output of the input differential stage 1 is connected to the base of the first 10 auxiliary and also the bases of the first 6 output and second 12 auxiliary transistors through the first 15 additional voltage followers, the second 5 current output of the input differential stage 1 is connected to the base of the third 13 auxiliary, as well as the bases of the second 8 output and fourth 14 auxiliary transistors through the second 16 additional voltage follower, the collector of the fourth 14 auxiliary transistor connected to the first 4 current output of the input differential stage 1, the collector of the second 12 auxiliary transistor is connected to the second 5 current output of the input differential stage 1, and the emitters of the first 6 and second 8 output transistors are connected to the second 11 bus of the power source.

Кроме этого, в схеме фиг. 2 входной дифференциальный каскад 1 имеет противофазные входы 17 и 18, причем его схема включает входные полевые транзисторы 19, 20, статический режим которых устанавливается источником опорного тока 21.In addition, in the diagram of FIG. 2, the input differential stage 1 has antiphase inputs 17 and 18, and its circuit includes input field-effect transistors 19, 20, the static mode of which is set by the reference current source 21.

В схеме фиг. 3 первый 15 и второй 16 дополнительные повторители напряжения выполнены соответственно на транзисторе 22 и резисторе 23, а также транзисторе 24 и резисторе 25.In the circuit of FIG. 3, the first 15 and second 16 additional voltage followers are made respectively on transistor 22 and resistor 23, as well as transistor 24 and resistor 25.

На фиг. 4, который соответствует фиг. 3, используются вспомогательные источники опорного тока 26 и 27, а также выходной буферный усилитель 28, вход которого соединен с токовым выходом устройства 9, а выход 29 обеспечивает низкоомный потенциальный выход устройства.In FIG. 4, which corresponds to FIG. 3, auxiliary reference current sources 26 and 27 are used, as well as an output buffer amplifier 28, the input of which is connected to the current output of the device 9, and the output 29 provides a low-impedance potential output of the device.

В схеме фиг. 5, которая соответствует схеме фиг. 2, входной дифференциальный каскад 1 реализован на дополнительных входных транзисторах 30, 31, 32, 33, причем база дополнительного транзистора 30 соединена с первым неинвертирующим входом 34 ОУ, затвор дополнительного транзистора 31 подключен к инвертирующему входу 35 ОУ, база транзистора 32 соединена с инвертирующим входом 36 ОУ, а затвор транзистора 33 связан с четвертым неинвертирующим входом устройства.In the circuit of FIG. 5, which corresponds to the circuit of FIG. 2, the input differential stage 1 is implemented on additional input transistors 30, 31, 32, 33, and the base of the additional transistor 30 is connected to the first non-inverting input 34 of the op-amp, the gate of the additional transistor 31 is connected to the inverting input 35 of the op-amp, the base of the transistor 32 is connected to the inverting input 36 op-amp, and the gate of the transistor 33 is connected to the fourth non-inverting input of the device.

Для уменьшения влияния напряжения Эрли первого 6 и второго 8 выходных транзисторов на напряжение смещения нуля ОУ в схеме фиг. 5 предусмотрена цепь смещения 38, реализуемая в виде источника опорного напряжения, вспомогательного резистора и т.п.In order to reduce the influence of the Earley voltage of the first 6 and second 8 output transistors on the OA zero bias voltage in the circuit of FIG. 5, a bias circuit 38 is provided, implemented as a reference voltage source, auxiliary resistor, and the like.

Рассмотрим работу ОУ фиг. 2.Consider the operation of the opamp of FIG. 2.

Статический режим по току транзисторов ОУ фиг. 2 устанавливается источником опорного тока 21, входящим в структуру входного дифференциального каскада 1. При этом токи коллекторов транзисторов схемы (Iкi), токи первого 4 и второго 5 выходов ДК принимают значения: I21=4I0, I4=2I0, Iк10=Iк14=I0, I5=2I0, Iк12=I0, Iк13=I0, Iк6=I0, Iк8=I0, где I4=I5 - статические токи первого 4 и второго 5 выходов входного дифференциального каскада 1.The static current mode of the transistors of the opamp of FIG. 2 is set by the reference current source 21, which is part of the structure of the input differential stage 1. In this case, the collector currents of the transistors of the circuit (I ki ), the currents of the first 4 and second 5 outputs of the DC take on the values: I 21 = 4I 0 , I 4 = 2I 0 , I k10 = I k14 = I 0 , I 5 = 2I 0 , I k12 = I 0 , I k13 = I 0 , I k6 = I 0 , I k8 = I 0 , where I 4 = I 5 are the static currents of the first 4 and the second 5 outputs of the input differential stage 1.

Если принять I20=4I0, то коллекторные токи всех транзисторов схемы будут равны некоторому опорному току I0, который выбирается разработчиком, например I0=1 мА.If we take I 20 = 4I 0 , then the collector currents of all the transistors of the circuit will be equal to some reference current I 0 , which is selected by the developer, for example, I 0 = 1 mA.

Таким образом, в заявляемой схеме, также как и в ОУ-прототипе, обеспечивается высокая стабильность статического режима транзисторов промежуточного каскада (первый 6 и второй 8 выходные транзисторы), которая определяется единственным в схеме ОУ источником опорного тока 21.Thus, in the claimed circuit, as well as in the op-amp prototype, high stability of the static mode of transistors of the intermediate stage (first 6 and second 8 output transistors) is ensured, which is determined by the only reference current source 21 in the op-amp circuit.

За счет применения в схеме фиг. 2 первого 15 и второго 16 дополнительных повторителей напряжения и цепей взаимной компенсации эквивалентных сопротивлений (Ri4, Ri5) в цепи токовых выходов 4 и 5 входного ДК, которая обеспечивается четвертым 14 и вторым 12 вспомогательными транзисторами, эквивалентные сопротивления в цепи токовых выходов 4 (Ri4) и 5 (Ri5) существенно возрастают. Это приводит к существенному увеличению коэффициентов усиления по напряжению входного дифференциального каскада 1Due to the use of FIG. 2 first 15 and second 16 additional voltage followers and mutual compensation circuits of equivalent resistance (R i4 , R i5 ) in the circuit of current outputs 4 and 5 of the input DC, which is provided by the fourth 14 and second 12 auxiliary transistors, equivalent resistance in the circuit of current outputs 4 ( R i4 ) and 5 (R i5 ) increase significantly. This leads to a significant increase in the voltage gain of the input differential stage 1

Figure 00000001
Figure 00000001

где u4-5 - напряжение между первым 4 и вторым 5 токовыми выходами;where u 4-5 is the voltage between the first 4 and second 5 current outputs;

uвх - входное напряжение ОУ (напряжение между узлами 17, 18);u I - the input voltage of the OS (voltage between nodes 17, 18);

SДК - крутизна преобразования входного напряжения ДК (uвх) в приращения выходных токов первого 4 и второго 5 токовых выходов ДК в режиме их короткого замыкания.S DC - the steepness of the conversion of the input voltage of the DC (u I ) in increments of the output currents of the first 4 and second 5 current outputs of the DC in the short circuit mode.

В ОУ-прототипе этот коэффициент усиления (KДК) не превышает единицы, т.к. здесь Ri4≈Ri5=25÷50 Ом, а крутизна SДК в схемах с полевыми транзисторами всегда мала.In the op-amp prototype, this gain (K DC ) does not exceed unity, because here R i4 ≈ R i5 = 25 ÷ 50 Ohms, and the slope S DC in circuits with field-effect transistors is always small.

Результаты компьютерного моделирования (фиг. 7, фиг. 10) показывают, что предлагаемая схема ОУ имеет усиление по напряжению порядка 100 дБ (100000 раз) без введения каких-либо дополнительных каскадов усиления. Это повышает общее усиление разомкнутого ОУ.The results of computer simulation (Fig. 7, Fig. 10) show that the proposed op-amp circuit has a voltage gain of the order of 100 dB (100,000 times) without introducing any additional amplification stages. This increases the overall gain of the open op amp.

При 100% отрицательной обратной связи на вход 36 и введении входного сигнала на вход 35 схемы фиг. 5 ОУ фиг. 5 является инвертирующим повторителем входного напряжения с Kу≈-1. Следует заметить, что на базе известного ОУ-прототипа такой режим без резисторов отрицательной обратной связи не реализуется [13].With 100% negative feedback to input 36 and the input signal to input 35 of the circuit of FIG. 5 op-amp of FIG. 5 is an inverting follower of the input voltage with K at ≈-1. It should be noted that on the basis of the well-known op-amp prototype, such a regime without negative feedback resistors is not implemented [13].

Предлагаемые схемотехнические решения ОУ имеют малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля (Uсм) при температурных и радиационных воздействиях (фиг. 8, фиг. 9). Это свидетельствует о высокой стабильности статического режима транзисторов схемы ОУ.The proposed circuit solutions of the op-amp have small values of the systematic component of the zero bias voltage (U cm ) under temperature and radiation influences (Fig. 8, Fig. 9). This indicates the high stability of the static mode of the transistors of the op-amp circuit.

Таким образом, предлагаемое двухкаскадное устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными, обеспечивает разомкнутое усиление по напряжению порядка Kу≈100000 и может найти широкое применение в системах преобразования радиотехнических сигналов.Thus, the proposed two-stage device has significant advantages in comparison with the known ones, it provides open-loop voltage amplification of the order of K at ≈100000 and can be widely used in systems for converting electronic signals.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Патент US 5.371.476, fig. 1.1. Patent US 5.371.476, fig. one.

2. Патент US 4.348.602, fig. 2.2. Patent US 4.348.602, fig. 2.

3. Патент US 6.657.465.3. Patent US 6.657.465.

4. Патент US 7.786.799, fig. 3.4. Patent US 7.786.799, fig. 3.

5. Патент Японии JP 61-140210, fig. 1.5. Japanese Patent JP 61-140210, fig. one.

6. Патент US 7.411.451, fig. 2.6. US patent 7.411.451, fig. 2.

7. Патент US 4.607.232.7. Patent US 4.607.232.

8. Патент US 5.936.468.8. Patent US 5.936.468.

9. Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-ХХ1», 2001, С. 106 (микросхема СА3078).9. Reference: operational amplifiers and comparators (Averbukh VD and others). - M.: Publishing House Dodeka-XX1, 2001, p. 106 (microcircuit CA3078).

10. Микросхема LM1360010. Microcircuit LM13600

http://www.komponenten.es.aau.dk/fileadmin/komponenten/Data_Sheet/Linear/LM13600.pdfhttp://www.komponenten.es.aau.dk/fileadmin/komponenten/Data_Sheet/Linear/LM13600.pdf

11. Микросхема LM13700 http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/549473/TI1/LM13700MX.html11. LM13700 microcircuit http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/549473/TI1/LM13700MX.html

12. Микросхема NF5517 http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/175236/ONSEMI/NE5517.html12. Chip NF5517 http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/175236/ONSEMI/NE5517.html

13. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, П.С. Будяков // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 2 (233), Москва, ОАО «Пульсар», 2014 г. С. 53-64.13. The main properties, parameters and basic schemes for switching on multi-differential operational amplifiers with a high-impedance node / N.N. Prokopenko, O.V. Dvornikov, P.S. Budyakov // Electronic Engineering. Series 2. Semiconductor devices. Issue 2 (233), Moscow, Pulsar OJSC, 2014, pp. 53-64.

Claims (1)

Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, содержащий входной дифференциальный каскад, согласованный по общей эмиттерной цепи с первой шиной источника питания, первый и второй противофазные токовые выходы входного дифференциального каскада, первый выходной транзистор, коллектор которого связан со входом токового зеркала, согласованного с первой шиной источника питания, второй выходной транзистор, коллектор которого подключен к выходу токового зеркала и токовому выходу устройства, первый вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен к первому токовому выходу входного дифференциального каскада, эмиттер соединен со второй шиной источника питания, а база связана с базой второго вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй шиной источника питания, третий вспомогательный транзистор, коллектор которого подключен ко второму токовому выходу входного дифференциального каскада, эмиттер соединен со второй шиной источника питания, а база связана с базой четвертого вспомогательного транзистора, эмиттер которого соединен со второй шиной источника питания, отличающийся тем, что первый токовый выход входного дифференциального каскада связан с базой первого вспомогательного транзистора, а также базами первого выходного и второго вспомогательного транзисторов через первый дополнительный повторитель напряжения, второй токовый выход входного дифференциального каскада связан с базой третьего вспомогательного транзистора, а также с базами второго выходного и четвертого вспомогательного транзисторов через второй дополнительный повторитель напряжения, коллектор четвертого вспомогательного транзистора соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, коллектор второго вспомогательного транзистора подключен ко второму токовому выходу входного дифференциального каскада, причем эмиттеры первого и второго выходных транзисторов соединены со второй шиной источника питания.A two-stage differential operational amplifier with an increased gain, containing an input differential stage, matched along a common emitter circuit with the first bus of the power source, first and second phase-opposite current outputs of the input differential stage, the first output transistor, the collector of which is connected to the input of the current mirror, matched with the first bus power source, the second output transistor, the collector of which is connected to the output of the current mirror and the current output of the device, ne the first auxiliary transistor, the collector of which is connected to the first current output of the input differential stage, the emitter is connected to the second bus of the power source, and the base is connected to the base of the second auxiliary transistor, the emitter of which is connected to the second bus of the power source, the third auxiliary transistor, the collector of which is connected to the second the current output of the input differential stage, the emitter is connected to the second bus of the power source, and the base is connected to the base of the fourth auxiliary trans ora, the emitter of which is connected to the second bus of the power source, characterized in that the first current output of the input differential stage is connected to the base of the first auxiliary transistor, as well as the bases of the first output and second auxiliary transistors through the first additional voltage follower, the second current output of the input differential stage is connected with the base of the third auxiliary transistor, as well as with the bases of the second output and fourth auxiliary transistors through the second additional ny voltage follower, the collector of the fourth auxiliary transistor connected to the first current output of the input differential stage, the collector of the second auxiliary transistor is connected to the second current output of the input differential stage, the emitters of the first and second output transistors connected to the second power supply bus.
RU2015154394A 2015-12-17 2015-12-17 Two-stage differential operational amplifier with higher gain RU2621289C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154394A RU2621289C1 (en) 2015-12-17 2015-12-17 Two-stage differential operational amplifier with higher gain

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154394A RU2621289C1 (en) 2015-12-17 2015-12-17 Two-stage differential operational amplifier with higher gain

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2621289C1 true RU2621289C1 (en) 2017-06-01

Family

ID=59032164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015154394A RU2621289C1 (en) 2015-12-17 2015-12-17 Two-stage differential operational amplifier with higher gain

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2621289C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2684510C1 (en) * 2018-04-16 2019-04-09 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Automatic signals amplification circuit
RU2780221C1 (en) * 2022-04-01 2022-09-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Operational amplifier with a low systematic zero-bias voltage component

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5432476A (en) * 1993-04-09 1995-07-11 National Semiconductor Corporation Differential to single-ended converter
RU2416155C1 (en) * 2009-09-03 2011-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Differential operating amplifier
RU2416152C1 (en) * 2009-09-03 2011-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Differential operating amplifier
RU2523124C1 (en) * 2013-01-09 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Multi-differential operational amplifier

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5432476A (en) * 1993-04-09 1995-07-11 National Semiconductor Corporation Differential to single-ended converter
RU2416155C1 (en) * 2009-09-03 2011-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Differential operating amplifier
RU2416152C1 (en) * 2009-09-03 2011-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Differential operating amplifier
RU2523124C1 (en) * 2013-01-09 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Multi-differential operational amplifier

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2684510C1 (en) * 2018-04-16 2019-04-09 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Automatic signals amplification circuit
RU2780221C1 (en) * 2022-04-01 2022-09-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Operational amplifier with a low systematic zero-bias voltage component

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2523124C1 (en) Multi-differential operational amplifier
RU2365969C1 (en) Current mirror
RU2621289C1 (en) Two-stage differential operational amplifier with higher gain
RU2615070C1 (en) High-precision two-stage differential operational amplifier
RU2615066C1 (en) Operational amplifier
RU2615068C1 (en) Bipolar-field differential operational amplifier
RU2624585C1 (en) Low temperature radiation resistant multidifferencial operation amplifier
RU2568384C1 (en) Precision operational amplifier based on radiation resistant bipolar and field process
RU2416155C1 (en) Differential operating amplifier
RU2595927C1 (en) Bipolar-field operational amplifier
RU2616573C1 (en) Differential operation amplifier
RU2687161C1 (en) Buffer amplifier for operation at low temperatures
RU2433523C1 (en) Precision differential operational amplifier
RU2414808C1 (en) Operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2416149C1 (en) Differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2568318C1 (en) Multidifferential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2780220C1 (en) Operational amplifier based on two-stroke &#34;inverse&#34; cascode and complementary fet-steristors with control pn-junction
RU2784666C1 (en) Gallium arsenide operational amplifier with a low zero-bias voltage
RU2814681C1 (en) Non-resistive gallium arsenide operational amplifier with low level of systematic component of zero offset voltage
RU2770912C1 (en) Differential amplifier on arsenide-gallium field-effect transistors
RU2416150C1 (en) Differential operating amplifier
RU2432666C1 (en) Differential operational amplifier with low supply voltage
RU2792710C1 (en) Multichannel differential amplifier based on gallium arsenide field-effect and bipolar transistors
RU2390921C1 (en) Operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2786191C1 (en) Pull-pull buffer amplifier on complementary bipolar transistors

Legal Events

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

Effective date: 20171218