Операционный усилитель

 

1. ОПЕРАДИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад. выполненный по каскадной схеме и выходной ток которого изменяется от входного напряжения по закону гиперболического синуса, промежуточный каскад, между входом и выходом которого включен.корректирующий конденсатор , и выходной каскад усиления мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и точности при сохранении быстродействия, в него введены усилитель тока, повторитель тока и конденсатор, включенный между неинвертирующим входом операционного : усилителя и входом усилителя тока, выход которого соединен с низкоом«Л ным входом токозадающего элемента входного дифференциального каскада, противофазный выход которого соединен с входом повторителя тока, выход которого подключен к входу выходного каскада усиления мощности. ;о 00 со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК . (у Н 03 F 3/45

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

FlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГТИЙ (21) 3652466/24-09 (22) 12. 10.83 (46) 23.11.85. Бюл. Ф 43 (71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии при

Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. С.M.Kèðîâà (72) В.Я,Грошев (53) 621.375.024(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1124427, кл. Н 03 F. 3/45, 29.07.83.

Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. N.: Энергоатомиэдат, 1983, с. 146, рис. 4.17. (54) (57) 1 . ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, „„SU„„1193773 А выполненный по каскадной схеме и выходной ток которого изменяется от входного напряжения по закону гиперболического синуса, промежуточный каскад, между входом и выходом которого включен. корректирующий конденсатор, и выходной каскад усиления мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и точности при сохранении быстродействия, в него введены усилитель тока, повторитель тока и конденсатор, включенный между неинвертирующим входом операционного усилителя и входом усилителя тока, выход которого соединен с низкоомным входом токозадающего элемента входного дифференциального каскада, противофазный выход которого соединен с входом повторителя тока, выход которого подключен к входу выходного каскада усиления мощности.

1193773 динены и подключены к источнику напряжения смещения, а коллекторы являются первым и вторым выходами токозадающего элемента соответственно, при этом эмиттер первого транзистора подключен к эмиттерам третьего и .пятого транзисторов, эмиттер второго транзистора — к эмиттерам четвертого и шестого транзисторов, причем база и коллектор четвертого и база третьего транзисторов объединены и подключены к первому выходу токозадающего элемента. второй выход которого подключен к объединенным базе и коллектору пятого и базе шестого транзисторов, коллектор третьего транзистора подключен к шине источника питания, а коллектор шестого транзистора является противофазным выходом входного дифференциального каскада.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в устройствах с высоким быстродействием.

Цель изобретения — повышение эко- 5 номичности и точности при сохранении быстродействия.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема операционного усилителя. 10

Операционный усилитель (ОУ) содержит дифференциальный каскад (ДК)

1, выполненный на первом и втором транзисторах 2 и 3, отражателе тока на транзисторах 4 и 5, третьем, чет- 15 вертом, пятом, шестом транзисторах

6-9, токоэадак4ций элемент на первом и втором дополнительных транзисторах

10 и 11, источник 12 напряжения смещения, повторитель тока на транзис- 20 торах 13.и 14, дополнительный токоэадающий элемент 15, конденсатор 16, усилитель 1.7 тока на транзисторе 18 и резисторе 19, промежуточный каскад 20 на транзисторах 21 и 22 и ре- 25 зисторе 23, выходной каскад 24 усиления мощности, содержащий цепь смещения на диодах 25 и 26 и транзисторы 27 и 28, корректирующий конденсатор 29. 30

2. Усилитель по п.1, о т л и ч а-, ю шийся тем, что входной .дифференциальный каскад, выполненный по каскадной схеме и выходной ток которого изменяется от входного напряжения, по закону гиперболического синуса, содержит первый и второй транзисторы, базы кот0рых являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим вхбдами операционного усилителя,. отражатель тока, вход которого соединен с коллектором второго транзистора, выход — с коллек-. тором первого транзистора, являю-. щимся выходом входного дифференциального каскада, а также третий, четвертый, пятый, шестой трайзисторы и токоэадающий элемент, выполненный на первом и втором дополнительных транзисторах, эмиттеры которых объединены и являются низкоомным входом токозадающего элемента, базы объе2

Операционный усилитель работает следующим образом.

В уравновешенном режиме ток смещения первого и второго транзисторов 2 и 3 входного ДК 1 обеспечивается за счет источника 12 напряжения смещения, выполненного например

У Э на двух прямосмещенных .диодах, согласованных с первым и вторым дополнительными транзисторами 10 и 11 и с транзистором 18 усилителя тока

17, что позволяет обеспечить достаточную термостабильность рабочего режима входного ДК 1.

При условии взаимной согласованности третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов 6-9 и равенства площадей их эмнттеров ток смещения каждого из этих транзисторов равен коллекторному току первого или второго дополнительных транзисторов 10, 11, а эмиттерные токи первого, второго транзисторов 2 и 3 и транзистора 18 имеют вдвое большее значение.

Для задания необходимого режима транзистора 22 по постоянному току установлен дополнительный токозадающий элемент 15.

1193773

Режим транзисторов 27 и 28 выходного каскада 24 усиления мощности задается за счет протекания коллекторных токов транзисторов 14 н 22 по цепи смещения на диодах 25 и 26. 5

В режиме малого сигнала работа

ОУ не отличается от работы известных устройств.

При включении ОУ повторителем напряжения механизм передачи сигнала в его каскадах является различньвю для перепадов входного напряжения противоположных полярностей. На входных перепадах открывающей полярности (т.е. способствующих открыва- 15 нию база-эмиттерных переходов первого и второго транзисторов 2 н 3) для обеспечения высокого быстродействия используются емкостные токи смещения. Эти токи возникают за . 20 счет заряда емкостей коллекторбаза третьего транзистора 6 и первого дополнительного транзистора 10 или базовьии токами третьего или шестого транзисторов 6 или 9, при И этом входное сопротивление ОУ на большом сигнале открывающей полярности имеет емкостный характер, а выходные токи входного ДК 1 в режиме переключения ограничиваются лишь 30 мощностью источника сигнала и теоретически не зависят от начального тока смещения первого и второго транзисторов 2 и 3.

Скорость заряда корректирующего конденсатора при разомкнутой ООС в этом случае составляет sxе в

Унн ° —" (1)

С мрр

40 где 7в,„- скорость заряда корректирующего конденсатора 29;

Мв„ВВ - скорость нарастания входного сигнала;

С вЂ” величина емкости, шунтирующей соответствующий вход токового смещения;

K - коэффициент усиления тока транзистора 6 или 9, осуществляющего заряд емкости 50

С„ базовьнч током;

С l,+p- величина емкости корректирующего конденсатора 29.

Поскольку К1 обычно достаточно

c è к1 велик, отнонение -Н вЂ” — лректичео- SS корв ки всегда получается оольшим единицы, а это означает, что используемая структура входного ДК 1 позволя r обеспечить в принципе произвольную скорость отслеживания перепадов входного напряжения открывающей полярности при включении ОУ повторителем напряжения. Достигаемая скорость отслеживания не ограничивается и другими каскадами ОУ, поскольку для рассматриваемой полярности передаваемого импульсного перепада заряд корректирующего конденсатора 29 осуществляется коллекторным током транзистора 22, который практически всегда может уравновесить выходной ток входного ДК 1, а выходной каскад

24 усиления мощности имеет двухтактную структуру и не имеет ограничений в скорости отслеживания для передаваемых сигналов любой полярности.

Для увеличения быстродействия при передаче перепадов входного напряжения запирающей полярности в состав входного ДК 1 введены конденсатор 16 н усилитель 17 тока, позволяющие обеспечить двухтактный режим работы входного ДК

В режиме малого сигнала введение этих элементов не отражается на параметрах ОУ, поскольку сигнал с неинвертирующего входа вводится в объединенные эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов 10 и 11, т.е. синфазно. На большом сигнале эта синфазность нарушается, поскольку при высокой скорости нарастания входного запирающего сигнала первый и третий транзисторы.2 и 6 полностью отключаются и сигнальный ток замыкается с выхода дополнительного усилителя 17 тока через второй, четвертый, шестой транзисторы 3, 7, 9 и транзисторы 5 и 4 на вход промежуточного каскада 20, заряжая, кроме того, паразитные емкости, шунтирующие первый и второй выходы токозадакнцего элемента входного ДК 1.

Скорость заряда этих емкостей и скорость заряда корректирукнцего конденсатора 29 при включении OY повторителем напряжения равны, откуда ч вых

l где Хв выходной ток усилителя тока в момент переключения., Свн- паразитная емкость, шунтирующая каждый выход токозадающего элемента, i 193773

Составитель И.Водяхина

Редактор С.Патрушева Техред С.Мигунова Корректор N.Ìàêñèìèøèíåö

Заказ 7323/57 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4 а с учетом того. что вь!х вх 0 ее 1 z 1 где Ч - скорость нарастания входного запирающего перепада;

Сц — емкость конденсатора 16;

К вЂ” коэффициент усиления усили2 теля тока 17;

ВхО И 2

CK0PP + 2С и

Из этого выражения следует, что для обеспечения равных скоростей нарастания на входе и выходе ОУ, необходимо выполнить условие:

Си К2

)j g

КО C,й которое легко обеспечивается практически без увеличения входной емкос- 20 ти ОУ при К ) 1, что всегда имеет место на практике.

При этом минимально необходимая емкость конденсатора 16 определяется из соотношения 25

С МPPP +2Cn

1В К

Для обеспечения К»1 в ОУ исполь2 зован транзистор 18, входной ток 30 смещения которого замкнут на шину источника питания через резистор 19.

Отсутствие гальванической связи между неинвертирующим входом ОУ и входом усилителя 17 тока позволяет устранить неоднозначность входных токов смещения и существенно уменьшить их разность, значительно увеличивая точность ОУ по входу.

Входной ДК 1 не содержит однотакт- @> ных цепей, работающих в режиме большого сигнала, что делает его предельно экономичным, потребляющим лишь ток, необходимый для начального смещения усилительных элементов.

Связь одного из выходов ДК 1 через повторитель тока на транзисторах 13 и 14 с выходом промежуточного каскада 20 позволяет обеспечить двухтактный режим передачи сигнала в каскадах ОУ.

При этом заряд корректирующего конденсатора 29 на открывающих перепадах осуществляется с выхода промежуточного каскада 20, а на запирающих — с противофазного выхода

ДК 1 при сохранении активного режима транзисторов промежуточного каскада 20, что обуславливает высокое быстродействие ОУ.

Обеспечение двухтактного усилителя в промежуточном каскаде 20 позволяет подключить корректирующий конденсатор 29 к его выходу, при этом обеспечиваются хорошие характеристики установления ОУ при работе на емкостную нагрузку.

Для исключения значительных помех, возникающих на шинах питания в момент переключения, корректирующий конденсатор 29 подключен к средней точке диодов 26 и 27.

При управлении ОУ по инвертирующему входу его быстродействие также достаточно велико, что определяется передаточной функцией входного

ДК 1, позволяющей обеспечить значительное усиление по мощности в этом каскаде.

Неинвертирующий вход ОУ в таком режиме заземлен, при этом наличие конденсатора 16 и усилителя тока 17 не оказывает влияния на характер передачи сигналов,