Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом
Владельцы патента RU 2449464:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, мостовых усилителях мощности, фильтрах, компараторах т.п.). Технический результат заключается в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и близкое к нулю значение. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом содержит первый и второй входные транзисторы, с первого по четвертый токостабилизирующие двухполюсники, первое и второе токовые зеркала, первый и второй дополнительные транзисторы, первый и второй дополнительные резисторы. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, мостовых усилителях мощности, фильтрах, компараторах т.п.).
Известны схемы классических двухкаскадных дифференциальных операционных усилителей (ДУ) с парафазным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-16]. ДУ данного класса активно применяются и в мостовых усилителях мощности, реализованных на базе различных, в том числе SiGe-технологий.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный операционный усилитель по патенту US 6.657.465, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, первый 3 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, причем вход первого 6 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, а токовый выход через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второе 9 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, причем вход второго 9 токового зеркала соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, а токовый выход через четвертый 10 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет нестабильный уровень выходного синфазного напряжения, зависящий от параметров третьего 8 и четвертого 10 токостабилизирующих двухполюсников. Это значительно затрудняет его согласование с последующими функциональными узлами.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и близкое к нулю значение. В этом случае реализуется также более широкий диапазон изменения выходного сигнала ДУ.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, первый 3 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, причем вход первого 6 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, а токовый выход через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второе 9 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, причем вход второго 9 токового зеркала соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, а токовый выход через четвертый 10 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключенны ко второй 7 шине источника питания, эмиттер первого 11 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 12 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, токовый выход первого 6 токового зеркала связан с объединенными базами первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов через первый 13 дополнительный резистор, а токовый выход второго 9 токового зеркала связан с объединенными базами первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов через второй 14 дополнительный резистор.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, а на фиг.3 - п.2 формулы изобретения с конкретным выполнением токовых зеркал 6 и 9.
На фиг.4 показана схема заявляемого ДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 и фиг.6 представлены зависимости напряжений ДУ для его выходов от входного синусоидального напряжения с амплитудой Uвх=1 мВ (фиг.5) и Uвх=5 мВ (фиг.6). Графики фиг.5, фиг.6 показывают, что заявляемый ДУ имеет два противофазных выходных напряжения и нулевой уровень выходного синфазного статического напряжения (Uсинф≈0,6 мВ).
На фиг.7 показана частотная зависимость коэффициента усиления схемы ДУ фиг.4.
На фиг.8 приведена схема включения предлагаемого ДУ в структуре драйвера дифференциальной линии связи (или мостового усилителя мощности). При этом драйвер имеет выходное синфазное напряжение Uсинф=22 мкВ.
На фиг.9 приведены зависимости выходных напряжений драйвера в режиме большого сигнала при Uвх=30 мВ.
На фиг.10 показана частотная зависимость дифференциального коэффициента усиления драйвера фиг.8.
Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, первый 3 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первой 4 шиной источника питания, первое токовое зеркало 6, согласованное со второй 7 шиной источника питания, причем вход первого 6 токового зеркала соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, а токовый выход через третий 8 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания, второе 9 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, причем вход второго 9 токового зеркала соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, а токовый выход через четвертый 10 токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой 4 шине источника питания. В схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены ко второй 7 шине источника питания, эмиттер первого 11 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 12 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, токовый выход первого 6 токового зеркала связан с объединенными базами первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов через первый 13 дополнительный резистор, а токовый выход второго 9 токового зеркала связан с объединенными базами первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов через второй 14 дополнительный резистор.
Токовые зеркала 6 и 9 в схеме фиг.2 реализованы на основе транзисторов 16, 18 и двухполюсников 15, 17, что обеспечивает их высокий коэффициент усиления по току.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения токовый выход первого 6 токового зеркала связан с объединенными базами первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов через последовательно соединенные первый 19 дополнительный буферный усилитель и первый 13 дополнительный резистор, а токовый выход второго 9 токового зеркала соединен с объединенными базами первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов через последовательно соединенные второй 20 дополнительный буферный усилитель, второй 14 дополнительный резистор.
В соответствии с п.3 формулы изобретения коэффициент передачи по току первого 6 и второго 9 токовых зеркал в схеме фиг.2 значительно превышает единицу (Ki12>>1). В качестве буферных усилителей 19 и 21 могут применяться классические эмиттерные повторители.
В качестве токостабилизирующих двухполюсников 3, 5, 8, 10, 15, 17 авторы рекомендуют использовать классические источники опорного тока на транзисторах или сравнительно высокоомные резисторы.
Рассмотрим работу ДУ фиг.3.
Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 3, 5, 15, 17, 8 и 10. Причем коллекторные (Iкi) и эмитгерные (Iэi) токи транзисторов 1, 2, 11, 12, 14, 18 определяются по формулам:
где I0 - заданное значение статического тока, например 1 мА.
Статическое напряжение Uвых.1 на выходе Вых.1 и Uвых.2 на выходе Вых.2 ДУ при нулевом входном сигнале (uвх=0) можно найти из уравнений:
.
где Uэб.1=Uэб.2=Uэб.11=Uэб.12 - напряжение «эмиттер-база» транзисторов 1, 2, 11, 12 при токе эмиттера Iэi=I0;
Iб11, Iб12 - составляющие токов базы транзисторов 11 и 12 в резисторах 13 и 14.
Таким образом, при типовых значениях тока базы транзисторов 11 и 12, а также при R13=R14=500÷1000 Ом выходное синфазное напряжение ДУ фиг.3 практически равно нулю в широком диапазоне температурных и радиационных воздействий, а также изменений напряжений питания. Это весьма существенно для согласования заявляемого ДУ с последующими функциональными узлами радиоэлектронной аппаратуры, положительно сказывается на диапазоне изменения амплитуд выходных синусоидальных напряжений ДУ.
При синфазном изменении напряжений на входах Вх.1 и Вх.2 изменяются синфазно и напряжения на выходах Вых.1, Вых.2. Однако при этом эмиттерные (коллекторные) токи транзисторов схемы остаются постоянными. Поэтому коэффициент ослабления входных синфазных напряжений в заявляемом ДУ достаточно высок, так как режим по току его транзисторов не изменяется.
В схеме фиг.3, которая отличается от схемы фиг.2 наличием дополнительных буферных усилителей 19 и 20, значительно снижаются требования к величине сопротивлений резисторов обратной связи 13 и 14, что позволяет получить на выходах Вых.1 и Вых.2 нулевые уровни статических напряжений независимо от статических параметров этих дополнительных буферных усилителей 19 и 20. Однако в схеме фиг, 3, соответствующей п.2 формулы изобретения, в низкоомной нагрузке, включенной между выходами Вых.1 и Вых.2, могут быть получены значительно большие мощности, которые определяются свойствами дополнительных буферных усилителей 19 и 20. Кроме этого, в архитектуре фиг.3 максимальные амплитуды выходных напряжений положительной 
и отрицательной 
полярностей близки к сумме напряжений первого 4 (Е4) и второго 7 (Е7) источников питания 
, что является одной из ее замечательных особенностей.
Таким образом, предлагаемый ДУ имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патентная заявка США №2005/0218983.
2. Патентная заявка США №2006/0139098.
3. Патентная заявка США. №2006/0006910, fig.1.
4. Патент США №6.657.465.
5. Патент США №6.831.513, fig.4.
6. Патент США №6.844.781.
7. Патентная заявка США №2008/0032656, fig.6.
8. Патент США №6.657.465.
9. Патент США №6.538.513.
10. Патентная заявка США №2003/0132803, fig.4.
11. Патент США №6.882.185, fig.1.
12. Патент США №7.649.418, fig.3A.
13. Патент США №7.701.290, fig.6.
14. Патент США №7.777.568, fig.2.
15. Патент США №5.225.791, fig.2.
16. Авт. св. СССР №459780.
1. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, первый (3) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (1) входного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (5) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (2) входного транзистора и первой (4) шиной источника питания, первое токовое зеркало (6), согласованное со второй (7) шиной источника питания, причем вход первого (6) токового зеркала соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, а токовый выход через третий (8) токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой (4) шине источника питания, второе (9) токовое зеркало, согласованное со второй (7) шиной источника питания, причем вход второго (9) токового зеркала соединен с коллектором второго (2) входного транзистора, а токовый выход через четвертый (10) токостабилизирующий двухполюсник подключен к первой (4) шине источника питания, отличающийся тем, что в схему введены первый (11) и второй (12) дополнительные транзисторы, коллекторы которых подключены ко второй (7) шине источника питания, эмиттер первого (11) дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, эмиттер второго (12) дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго (2) входного транзистора, токовый выход первого (6) токового зеркала связан с объединенными базами первого (11) и второго (12) дополнительных транзисторов через первый (13) дополнительный резистор, а токовый выход второго (9) токового зеркала связан с объединенными базами первого (11) и второго (12) дополнительных транзисторов через второй (14) дополнительный резистор.
2. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом по п.1, отличающийся тем, что токовый выход первого (6) токового зеркала связан с объединенными базами первого (11) и второго (12) дополнительных транзисторов через последовательно соединенные первый (19) дополнительный буферный усилитель и первый (13) дополнительный резистор, а токовый выход второго (9) токового зеркала соединен с объединенными базами первого (11) и второго (12) дополнительных транзисторов через последовательно соединенные второй (20) дополнительный буферный усилитель второй (14) дополнительный резистор.
3. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом по п.1, отличающийся тем, что коэффициент передачи по току первого (6) и второго (9) токовых зеркал значительно превышает единицу.
