RU2790616C1 - Fast buffer ab class amplifier - Google Patents
Fast buffer ab class amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790616C1 RU2790616C1 RU2022132251A RU2022132251A RU2790616C1 RU 2790616 C1 RU2790616 C1 RU 2790616C1 RU 2022132251 A RU2022132251 A RU 2022132251A RU 2022132251 A RU2022132251 A RU 2022132251A RU 2790616 C1 RU2790616 C1 RU 2790616C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- transistor
- collector
- emitter
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в качестве двухтактных буферных усилителей и выходных каскадов в различных аналоговых устройствах (операционных усилителях, драйверах линий связи и т.п.).The invention relates to the field of analog microelectronics and can be used as push-pull buffer amplifiers and output stages in various analog devices (operational amplifiers, communication line drivers, etc.).
В современной аналоговой микросхемотехнике находят широкое применение буферные усилители класса АВ на комплементарных n-p-n и p-n-p выходных транзисторах, в которых для улучшения линейности амплитудной характеристики вводится общая отрицательная обратная связь (ООС) [1-10]. В практических схемах ООС реализуется на двух входных комплементарных дифференциальных каскадах класса dual-input-stage [1-10]. In modern analog microcircuitry, class AB buffer amplifiers based on complementary n-p-n and p-n-p output transistors are widely used, in which a general negative feedback (OOS) is introduced to improve the linearity of the amplitude characteristic [1-10]. In practical circuits, the FOS is implemented on two input complementary differential stages of the dual-input-stage class [1-10].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель (фиг. 1), представленный в патенте US 6724260, fig. 12, 2004 г. Схема БУ-прототипа фиг. 1 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы, общая эмиттерная цепь которых связана через первый 5 источник опорного тока с первой 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 8 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 3 входного транзистора, а выход связан с коллектором второго 4 входного транзистора и базой первого 9 выходного транзистора, база первого 3 входного транзистора соединена со входом 1 устройства, а база второго 4 входного транзистора соединена с эмиттером первого 9 выходного транзистора и связана с выходом устройства 2, третий 10 и четвертый 11 входные транзисторы, общая эмиттерная цепь которых соединена через второй 12 источник опорного тока со второй 8 шиной источника питания, второе 13 токовое зеркало, согласованное с первой 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором третьего 10 входного транзистора, а выход связан с коллектором четвертого 11 входного транзистора и базой второго 14 выходного транзистора, база третьего 10 входного транзистора подключена ко входу 1 устройства, а база четвертого 11 входного транзистора соединена с эмиттером второго 14 выходного транзистора и связана с выходом устройства 2, причем коллектор первого 9 выходного транзистора соединен со второй 8 шиной источника питания, а коллектор второго 14 выходного транзистора связан с первой 6 шиной источника питания.The closest prototype of the proposed device is a buffer amplifier (Fig. 1), presented in US patent 6724260, fig. 12, 2004. Scheme of the CU prototype of Fig. 1 contains
Существенный недостаток БУ-прототипа состоит в том, что он имеет сравнительно небольшие значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения при больших импульсных изменениях входного сигнала. Это ограничивает области его применения, не позволяет применять данное схемотехническое решение в качестве выходных каскадов быстродействующих ОУ, драйверов линий связи и т.п.A significant drawback of the CU prototype is that it has a relatively small value of the maximum slew rate of the output voltage for large pulse changes in the input signal. This limits the scope of its application, does not allow the use of this circuit solution as output stages of high-speed op amps, communication line drivers, etc.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании буферного усилителя с повышенными (на 1-2 порядка) значениями максимальной скорости нарастания выходного напряжения при малом статическом токопотреблении, не превышающем статическое токопотребление БУ-прототипа.The main objective of the proposed invention is to create a buffer amplifier with increased (by 1-2 orders of magnitude) values of the maximum slew rate of the output voltage at low static current consumption, not exceeding the static current consumption of the CU prototype.
Поставленная задача решается тем, что в буферном усилителе фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы, общая эмиттерная цепь которых связана через первый 5 источник опорного тока с первой 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 8 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 3 входного транзистора, а выход связан с коллектором второго 4 входного транзистора и базой первого 9 выходного транзистора, база первого 3 входного транзистора соединена со входом 1 устройства, а база второго 4 входного транзистора соединена с эмиттером первого 9 выходного транзистора и связана с выходом устройства 2, третий 10 и четвертый 11 входные транзисторы, общая эмиттерная цепь которых соединена через второй 12 источник опорного тока со второй 8 шиной источника питания, второе 13 токовое зеркало, согласованное с первой 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором третьего 10 входного транзистора, а выход связан с коллектором четвертого 11 входного транзистора и базой второго 14 выходного транзистора, база третьего 10 входного транзистора подключена ко входу 1 устройства, а база четвертого 11 входного транзистора соединена с эмиттером второго 14 выходного транзистора и связана с выходом устройства 2, причем коллектор первого 9 выходного транзистора соединен со второй 8 шиной источника питания, а коллектор второго 14 выходного транзистора связан с первой 6 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи – объединенные эмиттеры первого 3 и второго 4 входных транзисторов связаны с объединенными эмиттерами третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов через дополнительный корректирующий конденсатор 15, эмиттер первого 9 выходного транзистора связан с выходом устройства 2 через первый 16 дополнительный резистор, а эмиттер второго 14 выходного транзистора связан с выходом устройства 2 через второй 17 дополнительный резистор. The problem is solved by the fact that in the buffer amplifier of Fig. 1, containing
На чертеже фиг. 1 представлена схема буферного усилителя-прототипа по патенту US 6724260, fig. 12, 2004 г. In the drawing of FIG. 1 shows a prototype buffer amplifier circuit according to US 6724260, fig. 12, 2004
На чертеже фиг. 2 приведена схема заявляемого буферного усилителя в соответствии с формулой изобретения.In the drawing of FIG. 2 shows a diagram of the proposed buffer amplifier in accordance with the claims.
На чертеже фиг. 3 показана схема для моделирования БУ-прототипа фиг. 1 в среде LTspice при t=27°C, +Vcc=-Vee=10 В, Rload=1 МОм, I1= I2=200 мкА. При этом здесь и далее использовались компьютерные модели биполярных транзисторов базовых матричных кристаллов АО «Интеграл» (г. Минск).In the drawing of FIG. 3 shows a diagram for modeling the prototype CU of FIG. 1 in LTspice environment at t=27°C, +Vcc=-Vee=10 V, R load =1 MΩ, I 1 =I 2 =200 μA. In this case, hereinafter, computer models of bipolar transistors of basic matrix crystals of Integral JSC (Minsk) were used.
На чертеже фиг. 4 представлена переходная характеристика переднего фронта БУ-прототипа фиг. 3 в среде LTspice. In the drawing of FIG. 4 shows the transient response of the leading edge of the prototype CU of FIG. 3 in the LTspice environment.
На чертеже фиг. 5 приведена переходная характеристика заднего фронта БУ-прототипа фиг. 3 в среде LTspice. In the drawing of FIG. 5 shows the transient response of the trailing edge of the prototype CU of FIG. 3 in the LTspice environment.
На чертеже фиг. 6 в таблице 1 показаны скорости нарастания выходного напряжения БУ-прототипа фиг. 3 для переднего и заднего фронтов.In the drawing of FIG. 6 in Table 1 shows the slew rates of the output voltage of the prototype VCU of FIG. 3 for leading and trailing edges.
На чертеже фиг. 7 представлена амплитудная характеристика БУ-прототипа фиг. 3 в среде LTspice. In the drawing of FIG. 7 shows the amplitude response of the prototype CU of FIG. 3 in the LTspice environment.
На чертеже фиг. 8 приведена схема для моделирования предлагаемого БУ фиг. 2 в среде LTspice при t=27°C, +Vcc=-Vee=10 В, Rload=1 МОм, I1= I2=200 мкА, R1=R2=88 Ом, Ск1=0.In the drawing of FIG. 8 shows a diagram for modeling the proposed CU of FIG. 2 in LTspice environment at t=27°C, +Vcc=-Vee=10 V, R load =1 MΩ, I 1 =I 2 =200 μA, R1=R2=88 Ω, C k1 =0.
На чертеже фиг. 9 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) коэффициента передачи по напряжению предлагаемого быстродействующего БУ фиг. 8 в среде LTspice. In the drawing of FIG. 9 shows the logarithmic frequency response (LAFC) of the voltage gain of the proposed fast VU of FIG. 8 in the LTspice environment.
На чертеже фиг. 10 представлена амплитудная характеристика предлагаемого быстродействующего БУ фиг. 8 в среде LTspice при Rload=1 кОм/ 2 кОм/ 10 кОм/1 МОм. In the drawing of FIG. 10 shows the amplitude characteristic of the proposed high-speed control unit of FIG. 8 in LTspice environment at Rload=1 kΩ/ 2 kΩ/ 10 kΩ/1 MΩ.
На чертеже фиг. 11 приведена переходная характеристика переднего фронта предлагаемого быстродействующего БУ фиг. 8 в среде LTspice при Ск1=0÷5 пФ. In the drawing of FIG. 11 shows the transient response of the leading edge of the proposed high-speed control unit of FIG. 8 in the LTspice environment at С k1 =0÷5 pF.
На чертеже фиг. 12 показана переходная характеристика заднего фронта предлагаемого быстродействующего БУ фиг.8 в среде LTspice при Ск1=0÷5 пФ. In the drawing of FIG. 12 shows the transient response of the trailing edge of the proposed high-speed BU of Fig.8 in the LTspice environment at C k1 =0÷5 pF.
На чертеже фиг. 13 в таблице 2 представлены скорости нарастания выходного напряжения предлагаемого БУ фиг. 8 для переднего и заднего фронтов.In the drawing of FIG. 13 in table 2 shows the slew rates of the output voltage of the proposed control unit of FIG. 8 for leading and trailing edges.
Быстродействующий буферный усилитель класса АВ фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы, общая эмиттерная цепь которых связана через первый 5 источник опорного тока с первой 6 шиной источника питания, первое 7 токовое зеркало, согласованное со второй 8 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором первого 3 входного транзистора, а выход связан с коллектором второго 4 входного транзистора и базой первого 9 выходного транзистора, база первого 3 входного транзистора соединена со входом 1 устройства, а база второго 4 входного транзистора соединена с эмиттером первого 9 выходного транзистора и связана с выходом устройства 2, третий 10 и четвертый 11 входные транзисторы, общая эмиттерная цепь которых соединена через второй 12 источник опорного тока со второй 8 шиной источника питания, второе 13 токовое зеркало, согласованное с первой 6 шиной источника питания, вход которого соединен с коллектором третьего 10 входного транзистора, а выход связан с коллектором четвертого 11 входного транзистора и базой второго 14 выходного транзистора, база третьего 10 входного транзистора подключена ко входу 1 устройства, а база четвертого 11 входного транзистора соединена с эмиттером второго 14 выходного транзистора и связана с выходом устройства 2, причем коллектор первого 9 выходного транзистора соединен со второй 8 шиной источника питания, а коллектор второго 14 выходного транзистора связан с первой 6 шиной источника питания. Объединенные эмиттеры первого 3 и второго 4 входных транзисторов связаны с объединенными эмиттерами третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов через дополнительный корректирующий конденсатор 15, эмиттер первого 9 выходного транзистора связан с выходом устройства 2 через первый 16 дополнительный резистор, а эмиттер второго 14 выходного транзистора связан с выходом устройства 2 через второй 17 дополнительный резистор. В схеме фиг. 2 резистор 18 моделирует свойства нагрузки.The class AB fast buffer amplifier of FIG. 2 contains
Рассмотрим вначале работу БУ-прототипа фиг. 1.Consider first the operation of the CU prototype of FIG. 1.
При импульсном изменении входного напряжения положительной полярности первый 3 входной транзистор ОУ в схеме со 100% отрицательной обратной связью (ООС) практически мгновенно переключается и его эмиттерный и коллекторный токи становятся равным току первого 5 источника опорного тока I5=2I0, а второй 4 входной транзистор запирается по цепи эмиттера. Как следствие, суммарная емкость СΣ1 в высокоимпедансном узле Σ1 перезаряжается сравнительно малым током I5=2I0, а напряжение имеет «пилообразную» форму с крутизнойWith a pulsed change in the input voltage of positive polarity, the first 3 input op-amp transistor in a circuit with 100% negative feedback (NFB) switches almost instantly and its emitter and collector currents become equal to the current of the first 5 reference current source I 5 \u003d 2I 0 , and the second 4 input the transistor is locked in the emitter circuit. As a consequence, the total capacitance C Σ1 in the high-impedance node Σ 1 is recharged by a relatively small current I 5 =2I 0 , and the voltage has a "sawtooth" shape with a steepness
(1) (1)
Как следствие, напряжение в высокоимпедансном узле Σ1 () передается (практически с единичным коэффициентом) через эмиттерный повторитель на первом 9 выходном транзисторе на выход 2 устройства. Поэтому максимальная скорость нарастания выходного напряжения БУ-прототипа также определяется формулой (1), из которой следует, что при фиксированных значениях , которое определяется емкостью база-коллектор первого 9 выходного и первого 4 входного транзисторов, в схеме известного БУ для увеличения SR приходится существенно увеличивать ток I5=2I0. Это отрицательно сказывается на энергопотреблении БУ в статическом режиме. Об этом свидетельствуют графики переходных характеристик на чертежах фиг. 4 и фиг. 5, а также данные таблицы фиг. 6.As a consequence, the voltage in the high-impedance node Σ 1 ( ) is transmitted (almost with a unity coefficient) through the emitter follower on the first 9 output transistor to output 2 of the device. Therefore, the maximum slew rate of the output voltage of the CU prototype is also determined by formula (1), from which it follows that for fixed values , which is determined by the capacitance of the base-collector of the first 9 output and first 4 input transistors, in the well-known BU circuit, to increase SR, it is necessary to significantly increase the current I 5 =2I 0 . This negatively affects the power consumption of the CU in static mode. This is evidenced by the graphs of transient responses in the drawings of FIG. 4 and FIG. 5 as well as the data in the table of FIG. 6.
Введение первого 16 и второго 17 дополнительных резисторов позволяет, в случае необходимости, стабилизировать статические коллекторные токи первого 9 и второго 14 выходных транзисторов и уменьшить их значения с 2,9 мА до уровня менее 100 мкА. Об этом свидетельствует сравнение статических режимов схем БУ на чертежах фиг.3 и фиг.8.The introduction of the first 16 and second 17 additional resistors allows, if necessary, to stabilize the static collector currents of the first 9 and second 14 output transistors and reduce their values from 2.9 mA to less than 100 μA. This is evidenced by a comparison of the static modes of the schemes BU in the drawings of Fig.3 and Fig.8.
Введение новых элементов и связей между ними в соответствии с формулой изобретения позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения БУ на 1-2 порядка без увеличения его статического токопотребления. The introduction of new elements and connections between them in accordance with the claims of the invention allows you to increase the maximum rate of increase in the output voltage of the control unit by 1-2 orders of magnitude without increasing its static current consumption.
Действительно, при импульсном изменении входного напряжения положительной полярности uвх (+) импульсный коллекторный ток первого 3 входного транзистора не ограничивается уровнем I5=2I0 и определяется током iс15 (+) через дополнительный корректирующий конденсатор 15:Indeed, with a pulsed change in the input voltage of positive polarity u in (+), the pulsed collector current of the first 3 input transistor is not limited to the level I 5 \u003d 2I 0 and is determined by the current i c15 (+) through an additional corrective capacitor 15:
где – производная напряжения на дополнительном корректирующем конденсаторе 15 на начальном этапе переходного процесса,Where - the derivative of the voltage on the additional
С15 – емкость дополнительного корректирующего конденсатора 15.C 15 - the capacity of the additional
Как следствие, паразитная емкость СΣ1 в высокоимпедансном узле Σ1 перезаряжается сравнительно большим током iс15 (+), что значительно повышает максимальную скорость нарастания напряжения на выходе 2 устройства. Об этом свидетельствуют графики переходного процесса на чертежах фиг. 11, а также данные таблицы 2 на чертеже фиг. 13, из которых следует, что SR увеличивается в 69 раз. As a result, the parasitic capacitance C Σ1 in the high-impedance node Σ 1 is recharged by a relatively large current i c15 (+) , which significantly increases the maximum rate of voltage rise at the
При больших отрицательных импульсных сигналах на входе 1 получаются аналогичные результаты, что отражено на графиках фиг. 12 и в таблице 2 на чертеже фиг. 13 – максимальная скорость нарастания улучшается более чем в 65 раз.With large negative pulse signals at
Амплитудная характеристика фиг. 10 предлагаемого БУ фиг.8 показывает, что рассматриваемая схема обеспечивает удовлетворительную работу при сравнительно низкоомных сопротивлениях нагрузки (Rload=1 кОм).The amplitude characteristic of Fig. 10 of the proposed CU of FIG. 8 shows that the considered circuit provides satisfactory operation at relatively low-resistance load resistances (R load = 1 kOhm).
Таким образом, предлагаемый буферный усилитель имеет существенные преимущества в сравнении с БУ-прототипом по быстродействию.Thus, the proposed buffer amplifier has significant advantages over the CU prototype in terms of speed.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКREFERENCES
1. Патент US 6.724.260, fig. 12, 2004 г.1. Patent US 6.724.260, fig. 12, 2004
2. Патент US 6.724.260 B2, fig. 12, 2004 г.2. Patent US 6.724.260 B2, fig. 12, 2004
3. Патент US 5.291.149, fig. 3, 1994 г.3. Patent US 5.291.149, fig. 3, 1994
4. Патент US 6.268.769, fig. 3, 2001 г.4. Patent US 6.268.769, fig. 3, 2001
5. Патент US 4.636.743, fig. 1, 1987 г.5. Patent US 4.636.743, fig. 1, 1987
6. Патент US 4.783.637, fig. 1, 1988 г.6. Patent US 4.783.637, fig. 1, 1988
7. Патент US 5.225.791, fig. 2, 1993 г.7. Patent US 5.225.791, fig. 2, 1993
8. Патент US 5.512.859, fig. 1, 1996 г.8. Patent US 5.512.859, fig. 1, 1996
9. Патент US 3.968.451, fig. 7, 1976 г.9. Patent US 3.968.451, fig. 7, 1976
10. Патент SU 1220105, fig. 1, 1982 г.10. Patent SU 1220105, fig. 1, 1982
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790616C1 true RU2790616C1 (en) | 2023-02-28 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2140705C1 (en) * | 1992-09-08 | 1999-10-27 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Stage of amplifier with controlled amplification, amplifier with controlled amplification, t v receiver |
US6724260B2 (en) * | 2002-03-28 | 2004-04-20 | Texas Instruments Incorporated | Low power current feedback amplifier |
RU2387074C1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-04-20 | Сергей Всеволодович Шпак | Linear broad-band amplifier |
RU2674885C1 (en) * | 2018-03-12 | 2018-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Quick-acting buffer amplifier |
RU2676014C1 (en) * | 2018-03-14 | 2018-12-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | High-speed operational amplifier |
US10461706B1 (en) * | 2018-04-30 | 2019-10-29 | Texas Instruments Incorporated | Differential amplifier including cancellation capacitors |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2140705C1 (en) * | 1992-09-08 | 1999-10-27 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Stage of amplifier with controlled amplification, amplifier with controlled amplification, t v receiver |
US6724260B2 (en) * | 2002-03-28 | 2004-04-20 | Texas Instruments Incorporated | Low power current feedback amplifier |
RU2387074C1 (en) * | 2008-08-27 | 2010-04-20 | Сергей Всеволодович Шпак | Linear broad-band amplifier |
RU2674885C1 (en) * | 2018-03-12 | 2018-12-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Quick-acting buffer amplifier |
RU2676014C1 (en) * | 2018-03-14 | 2018-12-25 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | High-speed operational amplifier |
US10461706B1 (en) * | 2018-04-30 | 2019-10-29 | Texas Instruments Incorporated | Differential amplifier including cancellation capacitors |
WO2019213084A1 (en) * | 2018-04-30 | 2019-11-07 | Texas Instruments Incorporated | Differential amplifier including cancellation capacitors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6429700B1 (en) | Driver circuit with output common mode voltage control | |
JP3251019B2 (en) | Low impedance CMOS output stage and method | |
US8390379B2 (en) | Amplifier input stage and slew boost circuit | |
JPS6254242B2 (en) | ||
US4879524A (en) | Constant current drive circuit with reduced transient recovery time | |
RU2391768C2 (en) | Quick-acting operating amplifier on basis of "bent" cascode | |
US4839609A (en) | Differential amplifier | |
US4068184A (en) | Current mirror amplifier | |
RU2790616C1 (en) | Fast buffer ab class amplifier | |
US4801893A (en) | Forward transimpedance amplifier | |
CN110687950A (en) | Source follower circuit and buffer circuit | |
SE430842B (en) | AMPLIFIER AMPLIFIER WITH ADJUSTABLE AMPLIFIER | |
EP0302605A1 (en) | Cascode amplifier with non-linearity correction and improve transient response | |
RU2790615C1 (en) | High-speed buffer amplifier with nonlinear correction class ab | |
US4757275A (en) | Wideband closed loop amplifier | |
RU2668968C1 (en) | Fast-acting differential operating amplifier for operation at low temperatures | |
JP3147082B2 (en) | Differential amplifier circuit | |
JPH0618293B2 (en) | Operational amplifier | |
RU2310268C1 (en) | Low-voltage powered cascade differential amplifier | |
CN109428555B (en) | Bootstrap application arrangement and application in a unity gain follower | |
RU2797168C1 (en) | High-speed operational amplifier with differentiated correction circuits in bridge input differential cascade | |
RU2446554C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2668983C1 (en) | Input stage of high-speed operational amplifier | |
US7230476B1 (en) | Bipolar high impedance element | |
RU2791274C1 (en) | High-speed operational amplifier with bridge input differential stage |