Операционный усилитель

 

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий входной дифференциальный каскад , одно плечо которого выполнено на первом и втором полевых транзисторах разной структуры, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом операционного усилителя , истоки - объединены и подключены к одному выводу корректирующего резистора, стоки соединены соответстИзобретение относится к области усилительной техники, в частности к операционным усилителям, и может быть использовано в аналоговых устройствах вычислительиой техники, систем связи и ядерной электроники« I Известен операционный усилитель, содержащий последовательно соединённые два дифференциальных каскада и выходной двухтактный повторитель наНряжения , причем каждый дифферешщальный каскад выполнен на двух поле1€Е00ШЗНД1 ШЕйш-так йШл: &HBJiHOTEi A I .t венно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повторителя напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых транзисторах разной структуры, затворы которых.объединены и являются инвертирующим входом операционного усилителя , истоки - объединены и подключены к другому вьшоду корректирующего резистора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений и повышения быстродействие , введены третий и четвертый генераторы тока, входы которых соединены соответственно со стоками третьего : и.четвертого полевых транзисторов, а (Л выходы соответственно с сходами второго и первого генераторов тока, при этом между точкой соединения истоков первого и второго полевых транзисторов и входом двухтактного повторителя напряжения введенкорректирующий конденсаторе 00 О) to .вых транзисторах одинаковой структуры, в цепях истоков которых включены источники токао Известный операционный усилитель обладает недостаточно высоким быстродействием . Наиболее близким по технической сущности к предложенному является операционный усилитель, содержащийiвходной дифференциальный каскад, одно плечо которого выполнено на первом и втором полевых транзисторах разной

C0I03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК вс .й

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOIPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flPH ГКНТ СССР (21) 3655451/18-09 (22) 03.1!.83 " (46) 23.11.90. Бюл. № 43 (72) Ю.А.Волков, Н.Н.Вонсовский, В.Ф.Ламекин, С.Н.Федорченко и В.Н.Серов (53) 621.375.132.3(088.8) (56) Сб. Ядерная электроника. Вып.!3, Теория и цроектирование электронной аппаратуры физического эксперимента. — M,, Энергоиздат, 1981, с.27-30.

Патент СНА ¹ 4229705, кл. Н 03 Р 3/45, 1980. (54)(57) ОПЕРАЩ40ННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ содержащий входной дифференциальный ка" скад, одно плечо которого выполнено на первом и втором полевых транзисторах разной структуры, затворы кото» рых объединены и являются неинвертирующим входом операционного усилителя, истоки " объединены и подключены к одному выводу корректирующего резистора, стоки соединены соответстИзобретение относится к области усилительной техники, в частности к операционным усилителям, и может быть использовано в аналоговых уст ройствах вычислительной техники, систем связи и ядерной электроники, Известен операционный усилитель, содержащий последовательно соединенные два дифференциальных каскада и выходной двухтактный повторитель на пряжения, причем каждый дифференциальный каскад выполнен на двух поле„„SU„„1118262 д1

2 венно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повтори теля напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых . транзисторах разной структуры, затво-. ры которых объединены и являются инвгртирующим входом операционного усилителя, истоки — объединены и подключены к другому выводу корректирующего резистора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений и повышения быстродействия, введены третий и четвертый генераторы тока, входы которых соединены соответственно со стоками третьего н четвертого полевых транзисторов, а выходы соответственно с входами второго и первого. генераторов тока, при этом между точкой соединения истоков первого и второго полевых транзисторов и входом двухтактного повторителя напряжения введен корректирую" щий конденсатор.

СЬ вых транзисторах одинаковой структуры, (Я в цепях истоков которых включены источники тока.

Известный операционный усилитель обладает недостаточно высоким быстродействием.

Наиболее близким по технической 3ь сущности к предложенному является операционный усилитель, содержащий, входной дифференциальный каскад одно . плечо которого выполнено на первом и втором полевых транзисторах разной

I I 18262 структуры, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом операционного усилителя, истоки— объединены и подключены к одному вы5 воду корректирующего резистора, стоки соединены соответственно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повторителя напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых транзисторах раз" ной структуры, затворы которых объединены и являются инвертирующим входом операционного усилителя, истоки объединены и подключены к другому выводу корректирующего резистора, сто-, ки соединены с соответствующими источниками питания.

Известный операционный усилитель обладает высоким уровнем нелинейных искажений и недостаточным быстродействием.

l l

Цель изобретения — уменьшение не- 25 линейных искажений и повышение быстродействия.

Дпя этого в операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, одно плечо которого выполнено на первом и втором полевых транзисторах разной структуры, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом операционного

35 усилителя, истоки объединены и подключены к одному выводу корректирующего резистора, стоки соединены соответственно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повторителя напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых транзисторах разной структуры, затворы которых объединены и являются инвертирующим входом операционного усилителя, истоки объединены и подключены к другому выводу корректирующего резистора, введены третий и четвертый генераторы тока, входы

50 которых соединены соответственно со стоками третьего и четвертого полевых транзисторов, а выходы соответственно с входами второго и первого генераторов тока, при этом между точ55 кой соединения истоков первого и,втоI рого полевых транзисторов и входом двухтактного повторителя напряжения введен корректирующий конденсатор.

4 !

На чертеже прецставлена принципиальная электрическая схема предложен« ного операционного усилителя.

Операционный усилитель содержит первый и второй полевые транзисторы

I и 2 разной структуры входного дифференциального каскада, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом 3 операционного усилителя, первый генератор 4 тока, второй генератор 5 тока, третий генератор 6 тока, четвертый генератор 7 тока, источники 8 и 9 питания соответствующей полярности., корректирующий конденсатор 10, двухтактный повторитель 11 напряжения, выход 12 операционного усилителя,корректирующийре-, зистор 13, третий и четвертый полевые транзисторы 14 и 15.разной структуры входного дифференциального каскада, инвертирующий вход 16 опера" ционного .усилителя.

Предлагаемый операционный усилитель работает следующим образом.

При отсутствии сигнала на неинвертирующем и инвертирующем входах 3>

16 операционного усилителя (ОУ) через первый (третий) и второй (четвер" тый) полевые транзисторы 1(14) и 2(15) протекает начальный сквозной ток Х, величина которого может быть выбрана малой, с использованием в качестве транзисторов 1(14) и 2(15) любых полевых приборов, имеющих разную струк туру, передаточные характеристики ко. торых, при объединении их высокоомных управляющих входов и неинверсных. выходов, имеют общую точку пересече- ния в области малых режимных токов.

При этом, если первый и третий, второй и четвертый полевые транзисторы

I 14 и 2,1S одинаковой структуры, принадлежащие противоположным плечам входного дифференциального каскада (ДК), идентичны, ток через корректирующий резистор 13 отсутствует, Сквозной ток, протекающий через третий и четвертый полевые транзисторы

14 и 15 поступает на входы третьего и четвертого генератора 6 и 7 тока, выходные токи которых суммируются на входах соответственно второго и первого генераторов 5 и 4 со сквозным током, протекающим через первый ч второй полевые транзисторы 1 и 2. При абсолютной идентичности плечей входного ДК и всех генераторов тока вы" ходные токи первого и второго гене5 11 раторов 4 и 5 тока равны и составляют величину 2 Хп. Поэтому напряжение на входе двухтактного повторителя 11 напряжения, а следовательно, и на выходе 12 ОУ в отсутствие входного сигнала равно нулю.

При увеличении частоты Я подаваемого на неинвертирующий вход 3 ОУ, включенного по схеме неинвертирующего повторителя напряжения входного гармонического сигнала, между неинвертирующим и инвертирующим входами 3, 16 ОУ растет амплитуда гармонического напряжения ошибки V (gt).

Так как плечи входного ДК сймметричны, то источник гармонического напряжения ошибки заземлен и действует на неинвертирующем входе 3 ОУ, а инвертирующий вход 16 ОУ отключен от выхода 12 ОУ и заземпен.

С неинвертирующего входа 3 ОУ гармоническое напряжение ошибки повторяется на объединенных истоках первого и второго полевых транзисторов 1, 2 и поступает на общую точку соединения корректирующего конденсатора 10 и корректирующего резистора 13.

На корректирующем резисторе 13 (R. ) напряжение ошибки Чпш(Я ) преобразуется в ток i < (Qt)=V (63t)/ÊK, который через двухтактный токовый повторитель, образов анкЫ третьим и четвертым полевыми транзисторами 14, l5, поступает на входы третьего и четвертого генераторов тока, На выходах третьего и четвертого генерато,ров 6 и 7 ток i< (Qt) инвертируется с коэффициентом передачи по току К;=

= -1 и поступает на входы соответственно второго и первого генераторов

5 и 4. Сюда же со стоков второго и первого полевых транзисторов 2 и поступают инвертированные по отношению к напряжению ошибки V (gt) токовые сигналы пс (Я ) 4 (

+ dVoш Я, С к ° Сх

dt С„+ С где . i< (Qt) — ток, возникающий через корректирующий конденсатор 10 (С к}, последовательно с которым включена суммарная емкость С существующая иа входе двухтактного повторителя ll напряжения. На выходах первого и второго генераторов 4, 5 токовый сигнал з.„, (gt)+i (gt) =2i Ä (at)+i, (gt) 35

50

Высокое быстродействие предлагаемого ОУ достигается за счет того,чтб приращения выходных токов третьего и четвертого полевых транзисторов, вызываемые действием между входами

Ф

ОУ парафазного входного сигнала, через третий и четвертый генераторы тока поступают на входы соответственно второго и первого генераторов тока, суммируясь на этих входах с приращениями выходных токов соответственно второго и первого полевых транзисторов. Поскольку максимальные приращения выходного тока полевых транзисторов входного ДК не связаны с величиной стационарного тока I a onуУ ределяются предельно-допустимыми импульсными токами Х, используемых ма во входном ДК полевых транзисторов, величина максимальной скорости нарастания выходного напряжения предлагаемого ОУ достигает высокого значеня Ч с,у= 2 Imax/С без ухудшения экономичности предлагаемого ОУ в отсутствие входного сигнала.

Повышение быстродействия и улучшение устойчивости предлагаемого ОУ в области высоких частот при коэффи-.

18262

6 инвертируется и развивает на емкос-.. ти (С < + С ) напряжение U и,,„, (Qt).

Корректирующий конденсатор 10 создает канал корректирующей местной

5 отрицательной обратчой связи за счет . того, что ток CK ° dUebix t (Qt)/dt через корректирующий конденсатор 10 поступает на объединенные истоки первого и второго полевых транзисторов 1 и 2, повторяется на их стоках и через первый и второй генераторы 4 и 5 тока поступает на вход двухтактного повторителя 11 напряжения в противо15 фазе по отношению к напряжению

Ueb,> <(03t) Кроме того, на входе двухтактного повторителя 11 напряжения развивается сигнал напряжения ц Sblx 2,(ЯС)=7 (Я ) Ск/(СK+Ñ ) рый создается прямым прохождением высокочастотного сигнала ошибки

V,4(ЮС) с объединенных истоков первого и второго полевых транзисторов на вход двухтактного повторителя 11 напряжения, ерез корректирующий конденсатор 10, Суммарный сигнал напряжения, возникающий на входе двухтактного повторителя 11 напряжения, повторяется двухтактным повторителем 11

30 напряжения на выходе 12 ОУ.

lIIH262 циентах передачи с обратной связью, близких k+1, также создает корректи- I рующий конденсатор, который, с одной стороны, осуществляет коррекцию на опережение на фазе, создавая высокочастотный канал прохождения сигналов с неинвертирующего входа ОУ на

его выход, с другой стороны, образует канал корректирующей местной отI0 рицательной обратной связи.

Коректирующий конденсатор, кроме того, вызывает увеличение выходных токов первого и второго полевых транзисторов в области высоких частот, 1 на величину емкостного тока i<(gt), который способствует ускоренному перезаряду суммарной емкости на входе двухтактного повторителя напряжения, а следовательно, приводит к увеличению быстродействия предлагаемого ОУ

Корректирующий конденсатор позволяет также устранить нелинейные искажения формы напряжения на выходе

ОУ, связанные со сквозной передачей сигналов с неинвертирующего входа

ОУ на его выход, приводящей при передаче импульсов с крутыми фронтами к возникновению на выходе ОУ пред- 30 импульсов, имеющих противоположную полярность относительно полезного выходного сигнала, а при передаче гармонического высокочастотного сигнала большой амплитуды — высокому уровню нелинейных искажений.

При воздействии на неинвертирующем входе ОУ перепада напряжения через проходные емкости С первого и второго полевых транзисторов проте- gp кает паразитный ток in < =2С дав„(t)/

/dt, который инвертируется первым и вторым генераторами тока и поступает на вход двухтактного повторителя напряжения. Однако этот паразитный 15 ток не развивает на выходе ОУ паразитного предимпульса напряжения, поскольку на вход двухтактпого повторителя напряжения с истоков первого и второго полевых транзисторов через корректирующий конденсатор поступает в фазе с полезным сигналом импульсС к ° Cz dVgx (t) ный ток i = -, — — —,— — — —, который

Ск+ СЕ dt в первый момент времени превышает величину i. р

В каждом плече входного ДК могут использоваться либо биполярные транзисторы разной структуры с соответствующими цепями смещения между базами, либо различные комбинации полевых и биполярных транзисторов, общим требованием к которым является наличие у пих объединенного неинверсного двухтактного выхода. Кроме того, эти комбинации транзисторов должны работать с малым уровнем нелинейных искажений в режиме большого сигнала на высоких частотах.

Таким образом, положительный эффект от внедрения предлагаемого операционного усилителя заключается, с одной стороны, в повышении быстродействия, а с другой, в снижении уровня нелинейных искажений в режиме большого сигнала на высоких частотах, при одновременном уменьшении потребляемой мощности в отсутствие входно-. го сигнала. Это позволяет создавать на основе предлагаемого операционного усилителя высококачественные экономичные усилители мощности с максимальной скоростью нарастания выход" ного напряжения до 6600 В/мкс, уровнем полных нелинейных искажений меньше 57. на частотах до 150 мГц, при максимальной выходной мощности гармонического сигнала 1 Бт, потребляемой мощностью в отсутствие входного сигнала — 150 мВт.

l1!8262

Редактор Л.Письман Техред Л.Олийнык Корректор: С- Шевкун

Заказ 4343 Тираж 668,Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101