Операционный усилитель

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи для использования в аналоговых микросхемах различного применения. Технический результат заключается в расширении диапазона активной работы и повышении быстродействия в нелинейных режимах. Устройство содержит входной дифференциальный каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, выходы которого подключены ко входам усилителей тока (УТ) 4, 5, параллельно включенные составные эмиттерные повторители (СЭП) 6, 7, включающие входные транзисторы (Т) 8, 9 и выходные Т 10, 11 разного типа проводимости, а также управляемые источники тока (УИТ) 12, 13 в эмиттерной цепи Т 8, 9, базы которых подключены к объединенным выходам УТ 4, 5, а также дополнительные n-р-n и р-n-р Т 14, 15, эмиттеры которых через резисторы 16, 17 соединены с эмиттерами Т 10, 11 СЭП 6, 7, базы подключены к точке соединения выходов УТ 4, 5, а коллекторы соединены с управляющими входами УИТ 12, 13 в эмиттерной цепи Т 8, 9 СЭП 6, 7. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а более конкретно к устройствам усиления сигналов широкого динамического диапазона, и может быть использовано при разработке аналоговых микросхем различного применения.

Известны операционные усилители (ОУ), имеющие повышенное быстродействие, но имеющие более низкую статическую точность и более высокое энергопотребление [1].

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является операционный усилитель, приведенный в [2]. На фиг.1 приведена упрощенная структурная схема прототипа, содержащая входной дифференциальный каскад ДК с расширенным диапазоном активной работы, выходы которого подключены ко входам первого ПТ1 и второго ПТ2 усилителей тока, первый ЭП1 и второй ЭП2 параллельно включенные составные эмиттерные повторители, включающие соответственно первый VT1 и второй VT3 входные и третий VT2 и четвертый VT4 выходные транзисторы разного типа проводимости, а также первый УИТ1 и второй УИТ2 управляемые источники тока в эмиттерной цепи первого и второго входных транзисторов, базы которых подключены к точке соединения выходов первого и второго усилителей тока.

Недостатком прототипа является более низкая скорость нарастания выходного напряжения и статическая точность.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона активной работы операционного усилителя и, как следствие, повышение быстродействия в нелинейных режимах.

Указанная цель достигается тем, что в схеме прототипа, содержащей входной дифференциальный каскад с расширенным диапазоном активной работы, выходы которого подключены ко входам первого ПТ1 и второго ПТ2 усилителей тока, первый ЭП1 и второй ЭП2 параллельно включенные составные эмиттерные повторители, включающие соответственно первый VT1 и второй VT2 входные и третий VT3 и четвертый VT4 выходные транзисторы разного типа проводимости, а также первый УИТ1 и второй УИТ2 управляемые источники тока в эмиттерной цепи первого VT1 и второго VT2 входных транзисторов, базы которых подключены к точке соединения выходов первого ПТ1 и второго ПТ2 усилителей тока, для повышения быстродействия в нелинейных режимах введены первый и второй дополнительные n-р-n и р-n-р транзисторы, эмиттеры которых соединены с эмиттерами выходных транзисторов составных эмиттерных повторителей, базы подключены к точке соединения выходов усилителей тока, а коллекторы соединены с управляющими входами первого (Вх.уит.1) и второго (Вх.уит.2) управляемых источников тока в эмиттерной цепи первого и второго входных транзисторов составных эмиттерных повторителей.

Предлагаемый ОУ по пунктам 1 и 2 формулы изобретения (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, входы которого являются входами устройства, выходы которого 2 и 3 подключены соответственно ко входам первого 4 и второго 5 усилителей тока, первый 6 и второй 7 параллельно включенные составные эмиттерные повторители, включающие соответственно первый 8 и второй 9 входные и третий 10 и четвертый 11 выходные транзисторы разного типа проводимости, а также первый 12 и второй 13 управляемые источники тока в эмиттерной цепи первого 8 и второго 9 входных транзисторов, базы которых подключены к выходам первого 4 и второго 5 усилителей тока, а также дополнительные n-р-n 14 и р-n-р 15 транзисторы, эмиттеры которых через дополнительные резисторы 16 и 17 соединены с эмиттерами выходных транзисторов составных эмиттерных повторителей, базы подключены к точке соединения выходов первого 4 и второго 5 усилителей тока, а коллекторы соединены с управляющими входами первого 12 и второго 13 управляемых источников тока в эмиттерной цепи первого 8 и второго 9 входных транзисторов составных эмиттерных повторителей.

В заявляемом ОУ в соответствии с пунктом 3 формулы изобретения базы первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов подключены к объединенным выходам первого 4 и второго 5 усилителей тока через первый 6 и второй 7 согласующие эмиттерные повторители (фиг.3).

Схема заявляемого ОУ (фиг.2) работает следующим образом. В статическом режиме транзисторы 14 и 15 закрыты. Ток цепей установления статического режима ДК I_set протекает в ветвях усилителя и задает статический режим. Если его выбрать на уровне единиц-десятков микроампер, то численные значения максимального тока в нагрузке для отрицательной полуволны входного напряжения I^(-)_н.max будут изменяться десятками-сотнями микроампер. Величина I⁽⁺⁾_н.max будет несколько лучше из-за лучших значений n-р-n транзисторов. Однако базовая схема не может обеспечить милиамперные токи в сопротивлении нагрузки R_н. Для устранения этого недостатка и введены элементы нелинейной коррекции: транзистор 14 (резистор 17) и транзистор 15 (резистор 16), которые осуществляют изменение (перестройку) структуры выходных составных транзисторов в зависимости от сопротивления нагрузки (тока нагрузки).

Если ток нагрузки i_н мал - то транзистор 14 выключен и не влияет на работу схемы. Когда нужно получить большие токи в нагрузке, происходит автоматическое изменение структуры выходной подсхемы - выключается транзистор 8, а транзистор 14 переходит в активный режим и образует на базе транзистора 10 и повторителя тока 4, УИТ 12 новый составной транзистор, способный обеспечить более высокие токи в нагрузке.

Рассмотрим работу схемы в широком диапазоне изменения сигналов. При малых входных сигналах (U_вх<U_гр.1) происходит перераспределение тока I_set между эмиттером транзистора 8 и базой транзистора 10. Когда U_вх достигнет значения

где ₁ - коэффициент усиления тока базы транзистора 8, транзистор 8 войдет в режим отсечки, и дальнейшее приращение U_вx не будет передаваться в нагрузку. На проходной характеристике ОУ формируется зона нечувствительности. Как следствие, при входном напряжении U_п1=U⁽⁺⁾_гр.1+0,6 В транзистор 14 войдет в активный режим, в схеме произойдет изменение структуры выходного составного транзистора, который теперь будет включать элементы: транзистор 14, повторитель тока 4, УИТ 12, транзистор 10, охваченные местной отрицательной обратной связью. В результате проходная характеристика будет продлена в область больших сигналов - формируется третий (линейный) участок. Ограничение тока в нагрузке теперь произойдет на уровне

где К_i.ПТ1 1 - коэффициент усиления по току первого повторителя тока 4;

I⁽⁺⁾_б5.max - максимально возможный ток промежуточного каскада (или источника сигнала).

Следует заметить, что увеличение максимальных токов в нагрузке обеспечивается практически без ухудшения диапазона изменения выходного напряжения U_m=U⁽⁺⁾_m+U^(-)_m. Это является достоинством рассматриваемой схемы.

Для уменьшения зоны нечувствительности на проходной характеристике ОУ необходимо установить небольшое начальное смещение эмиттерного перехода транзисторов 14 (15), например, так, как это сделано на фиг.3. В этой схеме транзистор 8* обеспечивает не только начальный статический режим транзистора 14, но и вместе с усилителем тока 12 минимизирует зависимость I⁽⁺⁾_н.mах от свойств источника сигнала.

Таким образом, проведенный анализ и экспериментальные исследования на основе компьютерного моделирования в среде Pspise 8.0 показывают, что достигается заявленный технический результат - расширение диапазона активной работы, что позволяет повысить скорость нарастания выходного напряжения и улучшить динамические параметры ОУ в нелинейных режимах за счет ускорения процессов перезаряда паразитных емкостей (или емкостей нагрузки) при малом энергопотреблении прежде всего в промежуточном и выходном каскадах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Интегральные микросхемы: Справочник Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др.; Под ред. Б.В. Тарабрина. 2-ое изд., испр. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 528 с.: ил. С.409, 437.

2. Операционные усилители и компараторы. М.: Издательский дом “Додека”, 2001. - 560 с.

Формула изобретения

1. Операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад с расширенным диапазоном активной работы, выходы которого подключены ко входам первого и второго усилителей тока, первый и второй параллельно включенные составные эмиттерные повторители, включающие соответственно первый и второй входные и первый и второй выходные транзисторы разного типа проводимости, а также первый и второй управляемые источники тока в эмиттерной цепи первого и второго входных транзисторов, базы которых подключены к выходам первого и второго усилителей тока, отличающийся тем, что введены первый и второй дополнительные n-р-n и р-n-р транзисторы, эмиттеры которых через дополнительные резисторы соединены с эмиттерами выходных транзисторов составных эмиттерных повторителей, базы подключены к точке соединения выходов первого и второго усилителей тока, а коллекторы соединены с управляющими входами первого и второго управляемых источников тока в эмиттерной цепи первого и второго входных транзисторов составных эмиттерных повторителей.

2. Операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что входы первого и второго управляемых источников тока в эмиттерной цепи первого и второго входных транзисторов соединены со входами первого и второго усилителей тока.

3. Операционный усилитель по любому пп.1 и 2, отличающийся тем, что базы первого и второго дополнительных транзисторов подключены к объединенным выходам первого и второго усилителей тока через первый и второй согласующие эмиттерные повторители.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3