Дифференциальный усилитель

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ содержащий первый и второй транзисторы , базы которых являются соответствующими входами дифференциального усилителя, а эмиттеры подключены соответственно к объединенным эмиттерам третьего и четвертого транзисторов и к объединенным эмиттерам пятого и шестого транзисторов, базы . которых объединены и подключены к коллекторам четвертого, пятого и седьмого транзисторов, база седьмого транзистора через источник напряжения смещения подключена к соответствующей шине источника питания , к которой также подключенн первые выводы первого и второго токозадающих элементов, коллектор третьего транзистора соединен с базой восьмого транзистора, а также девятый транзистор, причем структура первого, второго и седьмого транзисторов противоположна структуре третьего , четвертого, пятого и шестого транзисторов, отличающийс я тем, что, с целью увеличения быстродействия восьмой и девятый транзисторы включены по схеме с общим коллектором, их эмиттеры объединены и подключены к эмиттеру седьмого транзистора, а базы подключены к вторым выводам соответственно первого и второго, токозадакидих элементов , параллельно которым включены § введенные в усилитель первый и второй прямосмещенные диоды соответстU венно, коллектор шестого транзистора соединен с базой девятого транзистора, при этом восьмой и девятый транзисND 4 { hO Ч торы имеют структуру, одинаковую со структурой третьего, четвертого пятого и шестого транзисторов, а коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами дифференциального усилителя.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

0% (1И

3(5 Н 03 F 3/45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К AB7OPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ 1 (21) 3629324/18-09 (22) 29.07.83 (46) 15. 11. 84. Бюл. t<- 4? (72) В.Я,Грошев (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С.M.Êèðîâà (53) 621.375:024(088,8) (56) 1. Аналоговые интегральные схемы,Под ред. Дж.Коннели. M. "Мир", 1977, с.105 фиг.3,26а.

2. Заявка ФРГ Н -2633952, J кл. Н 03 F 3/45, 24.02.77 фиг.1 (прототип). (54)(57) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ содержащий первый и второй транзисторы, базы которых являются соответствующими входами дифференциального усилителя, а эмиттеры подключены соответственно к ббъединенным эмиттерам третьего и четвертого транзисторов и к объединенным эмиттерам пятого и шестого транзисторов, базы .которых объединены и подключены к коллекторам четвертого, пятого и седьмого транзисторов, база седьмого транзистора через источник напряжения смещения подключена к соответствующей шине источника питания, к которой также подключена первые выводы первого и второго токозадающих элементов, коллектор третьего транзистора соединен с базой восьмого транзистора, а также девятый транзистор, причем структура первого, второго и седьмого транзисторов противоположна структуре третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения быстродействия восьмой и девятый транзисторы включены по схеме с общим коллектором, их эмиттеры объединены и подключены к эмиттеру седьмо- I го транзистора, а базы подключены к вторым выводам соответственно первого и второго. токозадающих элементов, параллельно которым включены введенные в усилитель первый и вто- g рой прямосмещенные диоды соответственно, коллектор шестого транзистора соединен с базой девятого транзистора„ при этом восьмой и девятый транзисторы имеют структуру, одинаковую со структурой третьего, четвертого пятого и шестого транзисторов, а коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами дифференциального усилителя.

1124427

Изобретение относится к радиоэлект» ронике и может быть использовано в качестве входного каскада в быстродействующих операционных усилителях.

Известен дифференциальный усили- 5 тель, содержащий первый и второй входные транзисторы одной структуры, эмиттеры которых подключены соответственно к первому и второму выходам блока токового смещения (1) . l0

Однако быстродействие в известном дифференциальном усилителе ограничено значительной паразитной емкостью, обусловленной параллельным соединением двух переходов коллектор" база транзисторов в блоке токового смещения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является дифференциальный усилитель, содержа" 20 щий первый и второй транзисторы, базы которых являются соответствующими входами дифференциального усилителя, а змиттеры подключены соответственно к объединенным эмиттерам третьего и четвертого транзисторов и к объе-диненным эмиттерам пятого и шестого транзисторов, базы которых объединены и подключены к коллекторам четвертого, пятого и седьмого транзисторов,30 база седьмого транзистора через источник напряжения смещения подключена к соответствующей шине источника питания, к которой также подключены первые выводы первого и второго токо-З5 задающих элементов, коллектор третьего транзистора соединен с базой восьмого транзистора, а также девятый транзистор, причем структура первого, второго и седьмого транзисторон противоположна структуре третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов f2) .

Однако известное устройство обладает сравнительно малым быстродейст- 45 вием.

Цель изобретения — увеличение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилите-. 50 ле, содержащем первый и второй транзисторы, базы которых являются соответствующими входами дифференциального усилителя, а эмиттеры подключены соответственно к объединенным 55 эмиттеРам третьего и четвертого транзисторов и к объединенным эмитте. рам пятого и шестого транзисторон, базы которых объединены и подключены к коллекторам четвертого, пятого и седьмого транзисторов, база седьмого транзистора через источник напряжения смещения подключена к соответствующей шине источника питания,к которой также подключены первые выводы первого и второго токозадающих элементов, коллектор третьего транзистора соединен с базой восьмого транзистора, а также девятый транзистор, причем структура первого, второго и седьмого транзисторов противоположна структуре третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов, восьмой и девятый транзисторы включены по схеме с общим коллектором, их эмиттеры объедииены и пддключены к эмиттеру седьмого транзистора, а базы подключены к ь вторым выводам соответственно первого и второго токозадающих элементов параллельно которым включены введенные в усилитель первый и второй прямосмещенные диоды соответственно, коллектор шестого транзистора соединен с базой девятого транзистора, при этом восьмой и девятый транзисто" ры имеют структуру, одинаковую со структурой третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов а,коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами дифференциального усилителя.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя.

Дифференциальный усилитель содержит первый 1 и второй 2 транзисторы активный источник-тока 3, состоящий из третьего 1, девятого транзисторов 4-10, первого 11 и второго 12 токозадающих элементов, первого 13 и второго 14 прямосмещенных диодов и источник 15 напряжения смещения.

Дифференциальный усилитель работает следующим образом, При подключении коллекторов первого 1 и второго 2 транзисторов к элементам нагрузки и подаче питания в коллекторных цепях всех транзисторов начинает протекать ток.

При условии, что первый 1 н вто рой 2 транзисторы, третий- шестой транзисторы 4-7 и восьмой 9 и де.вятый 10 транзисторы взаимно согласованы, первый 11 и второй 12 токоза" даю|цие элементы одинаковы, а сдвиг

1124427 на базах первбго 1 и второго 2 транзисторов отсутствует, с учетом глубокой обратной отрицательной связи по току в схеме источника тока 3 можно записать 5

1Э + 19 =21 4, + 21

ЭБ8 969 . *4 где1 ; 3. — эмиттерные токи первого 1 и второго 2 тран- 10

t) зисторов соответственно, 1 l 1,1 - коллекторные TOKH cooT ветс гвующих транзисторов

8 — напряжение источника

15 напряжения смещения, 0эБЗ;.U9 — пРЯмое смеЩение базоэмиттерных переходов соответствующих транзисторов, Я вЂ” сопротивление первого

11 и второго 12 токо- . задающих элементов, Численные коэффициенты в выражениях соответствуют равенству эмиттерных площадей третьего шестого транзисто) ров 4-7.

Наличие глубокой отрицательной обратной связи по току позволяет З0 обеспечить высокое выходное сопротивление источника тока 3 относительно первого и второго его выходов, которое примерно равно выходному сопротивлению транзистора с общей базой 35 при равном выходном токе.и равном падении на резисторах обратной связи при этом обеспечивается хорошее подавление синфазного сигнала, поданного на входы ДУ. 40

Кроме этого, наличие обратной отрицательной связи и используемая конфигурация источника тока 3 clio» собствует снижению дрейфа, обусловлен ного нестабильностью токового-пита- 45

: ния, даже при значительной асимметрии в схеме.

В режиме малого сигнала частотно-. усилительные характеристики предлагаемого ДУ соответствуют характерис- 50 тикам известных схем при равных .. эмиттерных токах усилительных транзисторов.

В режиме большого сигнала запирание одного из усилительных транзисто-55 ров, например 1, приводит к выключению третьего транзистора 4 и уменьшению падения напряжения на первом токозадающем элементе 11. При этом коллекторные токи седьмого 8 и восьмого 9 транзисторов возрастают до значения, которое ограничивается . лишь коэффициентом усиления тока восьмого транзистора 9.

Увеличение коллекторного тока седьмого транзистора 8 отражается схемой токового зеркала, выполненной на пятом 6 и шестом 7 транзисторах при этом коллекторный ток шестого транзистора 7 пропорционально

L возрастает, а падение напряжения на втором токозадающем элементе 12 увеличивается до тех пор, пока основная часть коллекторного тока шестого транзистора 7 не начнет отводиться через второй прямосмещенный диод на шину питания.

Поскольку общая точка схемы токового зеркала является одним из выходов источника тока 3 и подключена к эмиттеру второго транзистора

2, то его коллекторный ток значительно возрастает, при этом функция передачи предлагаемого ДУ примерно соответствует прототипу, однако крутизна передачи в режиме большого сигнала для предлагаемого устройства имеет большее значение.

На больших перепадах входного синфазного сигнала запираяцей полярности, когда наличие емкостей коллектор-база третьего 4, шестого 7 и седьмого 8. транзисторов способствует одновременному снижению эмиттерных токов первого 1 и второго

2 транзисторов в равной степени уменьшаются коллекторные токи третьего 4 и шестого 7 транзисторов . уменьшается падение напряжения на первом 11 и втором 12--токозадающих элементах и увеличиваются коллектор" ные токи седьмого 8, восьмьго 9 и девятого 10 транзисторов. Увели-. чение этих токов способствует ускорению заряда паразитных емкостей, причем наличие емкостей коллекторбаза третьего 4 и шестого 7 транзисторов способствует возникновению положительной обратной связи. в структуре источника тока 3 и дополнительному увеличению тока, заряжающего паразитные емкости.

При этом в отличие от прототипа,. быстродействие которого в режиме большого синфазного сигнала ограничено скоростью перезаряда выходных

1124427 емкостей первого и второго блоков токового смещения, быстродействие предлагаемого ДУ ограничивается лишь частотными. свойствами применяемых транзисторов, постоянной времени 5 базовых цепей восьмого 9 и девятого

10 транзисторов с учетом возникающей при запирающих входных сигналах положительной обратной связи и при перепадах напряжения на первом 11 и втором 12 токозадающих элементах> не превышающих сотен милливольт, является принципиально более высоким.

При использовании предлагаемого

ДУ в операционном усилителе с симметричным промежуточным каскадом высокое быстродействие обеспечивается без .изменений операционного .усилителя, если только достигнутая 20 скорость нарастания не ограничивается другими его каскадами. Однако симметричная структура промежуточного каскада предполагает наличие двух параллельных токовых ветвей, 25 что при основном токопотреблении в этом каскаде, необходимом для улучшения частотных свойств операционного усилителя, делает его недостаточно экономичным. 30

Поэтому в предлагаемом ДУ предусмотрена возможность осуществления симметричного усиления тока .в операционных усилителях содержащих несимметричные промежуточные каскады, при этом несимметричный промежуточный каскад приобретает свойства двухтактного усилителя. Для этого в источнике тока 3 предусмотрены дополнительные выходы, к которым 40 могут подключаться входы усилителей тока, используемых в качестве динамической нагрузки промежуточного кас,када, устанавливаемых, вместо традиционных пассивных токостабилизаторов или вместе с ними. При этом необходимая токовая симметрия в каскадах операционного усилителя в уравновешенном режиме и в режиме большого сигнала легко обеспечивается обычными методами интегральной схемотехники.

Двухтактная структура промежуточного каскада, образованная при использовании предлагаемого ДУ, позволяет обеспечить высокое быстродействие операционного усилителя, симметрию предельных скоростей нарастания и высокую нагрузочную способность без снижения экономичности.

Следует отметить, что источник тока 3 является устойчивым, не увеличивает числа полюсов малосигнальной амплитудно-частотной характеристики операционного усилителя и не требует дополнительных цепей коррекции.

Применение резисторов в качестве первого и второго токозадающих элементов является предпочтительным ввиду меньшей их собственной емкости и возможности ограничения выходного тока ДУ на допустимом уровне, однако при необходимости первый и второй резисторы могут быть заменены токостабилизаторами, при этом суммарный ток смещения первого и второго транзисторов в уравновешенном режиме равен .удвоенной сумме их выходных токов

Применение предлагаемого ДУ целесообразно в операционных усилителях любого типа, при этом улучшение их быстродействия не сопровождается ухудшением других параметров, в том числе экономичности и точности по входу.

1124427

Составитель И, Водяхина

Редактор Л. Веселовская Техред Т.Маточка

Корректор Г. Решетйик

Закаэ 8297/44 Тираж 861

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб., д. 4(5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ушгород, ул. Проектная, 4