Операционный усилитель



Операционный усилитель
Операционный усилитель
Операционный усилитель
Операционный усилитель

 


Владельцы патента RU 2474952:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение входного статического тока ОУ, а также повышение быстродействия ОУ при импульсных входных сигналах. Операционный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, неинвертирующий вход (3) устройства, первый (4) и второй (5) прямосмещенные p-n переходы, инвертирующий (6) вход устройства, первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, первую (8) шину источника питания, второй (9) токостабилизирующий двухполюсник, вторую (10) шину источника питания, первый (11) выходной транзистор, первый (12) вспомогательный источник напряжения питания, третий (13) токостабилизирующий двухполюсник, второй (14) выходной транзистор, второй (15) вспомогательный источник напряжения питания, четвертый (16) токостабилизирующий двухполюсник, третий (17) и четвертый (18) входные транзисторы. 1 з.п. ф-лы, 4 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, в решающих и инструментальных усилителях, аналогово-цифровых интерфейсах и т.п.).

Известны схемы операционных усилителей (ОУ) на основе входных каскадов на n-р-n и р-n-р транзисторах, связанных с промежуточным каскадом, обеспечивающим широкий диапазон изменения выходного напряжения ОУ (так называемую опцию Rail-to-rail). При этом промежуточные каскады реализуются, как правило, на основе двух токовых зеркал, инвертирующих входной сигнал [1-9]. Более высокочастотными являются ОУ, в которых промежуточный каскад выполнен по каскодной схеме [10].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является операционный усилитель, описанный в патенте фирмы National Semiconductor Corp.US №7479831, fig.7, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом 3 устройства, первый 4 и второй 5 последовательно соединенные прямосмещенные р-n переходы, включенные между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, инвертирующий 6 вход устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой первого 1 входного транзистора и первой 8 шиной источника питания, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой второго 2 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания, первый 11 выходной транзистор, база которого соединена с первым 12 вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 8 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого соединена со вторым 15 вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через четвертый 16 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 10 шиной источника питания, причем коллекторы первого 11 и второго 14 выходных транзисторов связаны с токовым выходом устройства.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокий коэффициент усиления по напряжению, обусловленный невысокими значениями крутизны преобразования входного напряжения (напряжения на инвертирующем входе входного каскада) в выходной ток, поступающий в промежуточный каскад.

Второй серьезный недостаток ОУ-прототипа - повышенный уровень входного статического тока, который определяется неидентичностью токов первого 7 и второго 9 токостабилизирующих двухполюсников.

Кроме этого, ОУ-прототип характеризуется невысоким быстродействием при импульсных входных сигналах (Uвх), что связано с отсутствием в нем пропорциональности между амплитудой импульсного входного напряжения (Uвх>0,7В) и приращением выходного тока входного каскада. Как следствие, из-за запирания р-n переходов 4 (5) под влиянием и наличия паразитной емкости Сп в цепи базы входных транзисторов 1 и 2, коллекторные токи транзисторов 1 (2) изменяются по линейному закону, что сдерживает реакцию ОУ на входные импульсные сигналы [11, 12].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (K0), что обеспечивается созданием дополнительных каналов преобразования входного напряжения в выходной ток ОУ, повышающих при прочих равных условиях крутизну усиления входного каскада.

Дополнительные задачи - уменьшение входного статического тока ОУ, а также повышение быстродействия ОУ при импульсных входных сигналах.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом 3 устройства, первый 4 и второй 5 последовательно соединенные прямосмещенные р-n переходы, включенные между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, инвертирующий 6 вход устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой первого 1 входного транзистора и первой 8 шиной источника питания, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой второго 2 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания, первый 11 выходной транзистор, база которого соединена с первым 12 вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 8 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого соединена со вторым 15 вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через четвертый 16 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 10 шиной источника питания, причем коллекторы первого 11 и второго 14 выходных транзисторов связаны с токовым выходом устройства, предусмотрены новые элементы и связи - общий узел первого 4 и второго 5 прямосмещенных р-n переходов соединен с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, инвертирующий 6 вход устройства подключен к базам третьего 17 и четвертого 18 входных транзисторов, эмиттер третьего 17 входного транзистора соединен с базой первого 1 входного транзистора через первый 19 вспомогательный резистор, эмиттер четвертого 18 входного транзистора соединен с базой второго 2 входного транзистора через второй 20 вспомогательный резистор, причем коллектор третьего 17 входного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, а коллектор четвертого 18 входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора.

Схема заявляемого устройства, соответствующая п.1 и п.2 формулы изобретения, приведена на фиг.2. На фиг.3 показана схема ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.4 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению разомкнутого ОУ фиг.3.

Операционный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом 3 устройства, первый 4 и второй 5 последовательно соединенные прямосмещенные р-n переходы, включенные между базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, инвертирующий 6 вход устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой первого 1 входного транзистора и первой 8 шиной источника питания, второй 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой второго 2 входного транзистора и второй 10 шиной источника питания, первый 11 выходной транзистор, база которого соединена с первым 12 вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 8 шиной источника питания, второй 14 выходной транзистор, база которого соединена со вторым 15 вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через четвертый 16 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 10 шиной источника питания, причем коллекторы первого 11 и второго 14 выходных транзисторов связаны с токовым выходом устройства. Общий узел первого 4 и второго 5 прямосмещенных р-n переходов соединен с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, инвертирующий 6 вход устройства подключен к базам третьего 17 и четвертого 18 входных транзисторов, эмиттер третьего 17 входного транзистора соединен с базой первого 1 входного транзистора через первый 19 вспомогательный резистор, эмиттер четвертого 18 входного транзистора соединен с базой второго 2 входного транзистора через второй 20 вспомогательный резистор, причем коллектор третьего 17 входного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, а коллектор четвертого 18 входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, токовый выход устройства (Вых.i) соединен со входом дополнительного буферного каскада 21, выход которого является потенциальным выходом устройства.

Рассмотрим работу известного фиг.1 и заявляемого фиг.2 ОУ.

В ОУ-прототипе фиг.1 входной статический ток зависит от разности токов двухполюсников 7 и 9:

Поэтому разброс численных значений 19 и 17 непосредственно влияет на входной ток ОУ Iвх (1).

В заявляемом ОУ фиг.2 входной статический ток Iвх в β-раз меньше I9=I7=I0 и определяется по формуле:

где β18≈β17 - коэффициенты усиления по току базы транзисторов 18 и 17.

Далее, за счет новых связей в заявляемой схеме ОУ создаются дополнительные каналы передачи входного сигнала к токовому выходу устройства (Вых.i). Действительно, uвx передается к узлу «А» (Вых.i) по 4 каналам:

- со входа 6 в коллектор транзистора 17, эмиттер транзистора 14 и далее к выходу Вых.i;

- со входа 6 в коллектор транзистора 18, эмиттер транзистора 11 и далее к выходу Вых.i;

- со входа 6 в эмиттер транзистора 18, в р-n переход 5, коллектор транзистора 2, эмиттер транзистора 14 и далее к выходу «Вых.i»;

- со входа 6 в эмиттер транзистора 17 в р-n переход 4, коллектор транзистора 1, эмиттер транзистора 11, и далее к выходу «Вых.i».

Таким образом, в схеме фиг.2 все изменения коллекторных токов транзисторов входного каскада «не теряются» и передаются к узлу «А» (Вых.i), что повышает K0.

Следует также заметить, что импульсное изменение входного напряжения (6) в ОУ фиг.2 не вызывает полную «парализацию» одного из 4 каналов передачи uвх, что в конечном итоге повышает быстродействие ОУ [11, 12].

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемой схемы ОУ в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва) (фиг.4).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2009/0033423, fig.18.

2. Патент WO 2002/037672.

3. Патент US 6249153, fig.9.

4. Патент US 5399991 fig.3B.

5. Патент US 5512859.

6. Патент US 6724260.

7. Патент US 4502020.

8. Патент US 4833423 fig.2.

9. Патент ЕР 1418668 fig.3B.

10. Патент US №7479831, fig.7.

11. Прокопенко Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.

12. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л., 1979. - 148 с.

1. Операционный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с неинвертирующим входом (3) устройства, первый (4) и второй (5) последовательно соединенные прямосмещенные р-n переходы, включенные между базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, инвертирующий (6) вход устройства, первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой первого (1) входного транзистора и первой (8) шиной источника питания, второй (9) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между базой второго (2) входного транзистора и второй (10) шиной источника питания, первый (11) выходной транзистор, база которого соединена с первым (12) вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором первого (1) входного транзистора и через третий (13) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (8) шиной источника питания, второй (14) выходной транзистор, база которого соединена со вторым (15) вспомогательным источником напряжения питания, а эмиттер соединен с коллектором второго (2) входного транзистора и через четвертый (16) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (10) шиной источника питания, причем коллекторы первого (11) и второго (14) выходных транзисторов связаны с токовым выходом устройства, отличающийся тем, что общий узел первого (4) и второго (5) прямосмещенных р-n переходов соединен с эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, инвертирующий (6) вход устройства подключен к базам третьего (17) и четвертого (18) входных транзисторов, эмиттер третьего (17) входного транзистора соединен с базой первого (1) входного транзистора через первый (19) вспомогательный резистор, эмиттер четвертого (18) входного транзистора соединен с базой второго (2) входного транзистора через второй (20) вспомогательный резистор, причем коллектор третьего (17) входного транзистора соединен с коллектором второго (2) входного транзистора, а коллектор четвертого (18) входного транзистора соединен с коллектором первого (1) входного транзистора.

2. Операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что токовый выход устройства соединен со входом дополнительного буферного каскада (21), выход которого является потенциальным выходом устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к области устройств усиления аналоговых сигналов. .

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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

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, СВЧ-усилителях, смесителях и перемножителях сигналов и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых СВЧ-сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов, реализуемых по технологиям SGB25VD, SG25H1, SG25H2, SG13SI и др.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения.

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, SiGe-операционных усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

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, драйверах дифференциальных линий связи, фильтрах, компараторах т.п.).

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, в прецизионных интегральных и решающих усилителях, компараторах и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения.

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала за счет новых элементов связи. Входной каскад быстродействующего операционного усилителя содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый (3) и второй (4) вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов с объединенными базами, первый (7) и второй (8) входы устройства, связанные с соответствующими базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, третий (9) и четвертый (10) вспомогательные резисторы, первый (11) и второй (12) вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый (13) токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства (14), (15), (16), (17), связанные с коллекторами входных (1), (2) и выходных (5), (6) транзисторов. 18 ил.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада операционного усилителя (ОУ) для дифференциального сигнала. Входной каскад ОУ содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, первый (3) и второй (4) выходные транзисторы, первый (5) и второй (6) вспомогательные транзисторы, первый (7) и второй (8) входы устройства, первый (9) и второй (10) прямосмещенные p-n-переходы, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства (12), (13), (14), (15), первую (16) шину источника питания (ИП), где между вторым (10) p-n-переходом, включенным в эмиттер второго (6) транзистора, и второй (17) шиной ИП включен первый (11) двухполюсник, между первым (9) p-n-переходом, включенным в эмиттер первого (5) транзистора, и второй (17) шиной ИП включен второй (18) двухполюсник, между общим узлом (19) первого (9) p-n-перехода и второго (18) двухполюсника, а также общим узлом (20) второго (12) p-n-перехода и первого (11) двухполюсника последовательно включены третий (21) и четвертый (22) резисторы, общий узел (23) которых соединен с базами первого (3) и второго (4) входных транзисторов. 18 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала, а также получение граничных напряжений его проходной характеристики iвых=f(uвх) на уровне Uгр=1÷2 В, что приводит к повышению быстродействия ОУ более чем на порядок. Комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя содержит: первый (1) и второй (2) входные транзисторы, первый (3) и второй (4) выходные транзисторы с объединенными базами, первый (5) и второй (6) входы устройства, первый (7) и второй (8) вспомогательные транзисторы, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, первые (10), (11) токовые выходы устройства, вторые (12), (13) токовые выходы устройства, первую (14) шину источника питания, вторую (15) шину источника питания, второй (16) токостабилизирующий двухполюсник, первый (17) дополнительный резистор, второй (18) дополнительный резистор, третий (19) и четвертый (20) дополнительные резисторы. 20 ил.
Наверх