Каскодный дифференциальный операционный усилитель



Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель
Каскодный дифференциальный операционный усилитель

Владельцы патента RU 2640744:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя. Каскодный дифференциальный операционный усилитель содержит: входной дифференциальный каскад с общей эмиттерной цепью, согласованной с первой шиной источника питания, первый, второй, третий, четвертый дополнительные транзисторы, базы первого и второго дополнительных транзисторов подключены к первому токовому выходу входного дифференциального каскада, базы третьего и четвертого дополнительных транзисторов подключены ко второму токовому выходу входного дифференциального каскада, объединенные эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны с эмиттером второго выходного транзистора, объединенные эмиттеры третьего и четвертого дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого выходного транзистора, коллекторы второго и третьего дополнительных транзисторов соединены с первым токовым выходом входного дифференциального каскада а коллекторы первого и четвертого дополнительных транзисторов связаны со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ) на полевых и биполярных транзисторах, выполненные на основе архитектуры «перегнутого» каскода [1-36]. Их основные достоинства - расширенный частотный диапазон, а также эффективное использование напряжения питания.

Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы энергоэффективные радиационно-стойкие ОУ с малым напряжением смещения нуля (Uсм) и расширенным диапазоном линейной работы. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этой задачи возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [15], обеспечивающего формирование р-канальных полевых и высококачественных n-p-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 1013 н/см2. Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [15].

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 7.215.200, fig. 6. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1 с общей эмиттерной цепью 2, согласованной с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к вспомогательному источнику напряжения 8, токовое зеркало 9, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором первого 6 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 7 выходного транзистора и связан с токовым выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и второй 12 шиной источника питания, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и второй 12 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что он имеет сравнительно небольшой разомкнутый коэффициент усиления по напряжению.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении разомкнутого коэффициента усиления по напряжению без ухудшения статического тока ОУ.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с общей эмиттерной цепью 2, согласованной с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к вспомогательному источнику напряжения 8, токовое зеркало 9, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором первого 6 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 7 выходного транзистора и связан с токовым выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и второй 12 шиной источника питания, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и второй 12 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17 дополнительные транзисторы, базы первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов подключены к первому 4 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, базы третьего 16 и четвертого 17 дополнительных транзисторов подключены к второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, объединенные эмиттеры первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов связаны с эмиттером второго 7 выходного транзистора, объединенные эмиттеры третьего 16 и четвертого 17 дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого 6 выходного транзистора, коллекторы второго 15 и третьего 16 дополнительных транзисторов соединены с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а коллекторы первого 14 и четвертого 17 дополнительных транзисторов связаны со вторым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.

На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На фиг. 3 приведена схема фиг. 2 в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 4 приведена модифицированная схема фиг. 3 с дополнительной цепью согласования потенциалов 25, которая уменьшает влияние напряжения Эрли транзисторов на статический режим.

На фиг. 5 показана схема фиг. 3 со специальным вариантом построения входного дифференциального каскада 1, который обеспечивает в ОУ несколько входов.

На фиг. 6 приведена схема ОУ фиг. 2 в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 7 представлены амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 6 без отрицательной обратной связи и со 100% отрицательной обратной связью (ООС).

На фиг. 8 приведена схема ОУ фиг. 4 в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 9 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 8 без отрицательной обратной связи и с отрицательной обратной связью.

На фиг. 10 приведена схема ОУ фиг. 5 в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 11 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг. 10 без отрицательной обратной связи (ООС) и со 100% ООС.

Компьютерное моделирование предлагаемых выше схемотехнических решений ОУ (фиг. 6, фиг. 8, фиг. 10) показывает, что систематическая составляющая их напряжения смещения нуля не превышает 5-10 мкВ (при высокой идентичности элементов - отсутствии разброса параметров транзисторов).

Каскодный дифференциальный операционный усилитель фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с общей эмиттерной цепью 2, согласованной с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, первый 6 и второй 7 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к вспомогательному источнику напряжения 8, токовое зеркало 9, согласованное с первой 3 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором первого 6 выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго 7 выходного транзистора и связан с токовым выходом 10 устройства, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и второй 12 шиной источника питания, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и второй 12 шиной источника питания. В схему введены первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17 дополнительные транзисторы, базы первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов подключены к первому 4 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, базы третьего 16 и четвертого 17 дополнительных транзисторов подключены к второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, объединенные эмиттеры первого 14 и второго 15 дополнительных транзисторов связаны с эмиттером второго 7 выходного транзистора, объединенные эмиттеры третьего 16 и четвертого 17 дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого 6 выходного транзистора, коллекторы второго 15 и третьего 16 дополнительных транзисторов соединены с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а коллекторы первого 14 и четвертого 17 дополнительных транзисторов связаны со вторым 5 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.

Входной дифференциальный каскад 1 в схеме фиг. 2 выполнен на основе источника опорного тока 18 и входных полевых транзисторов 19, 20, затворы которых связаны с соответствующими входами ОУ 21 и 22.

На фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первый 4 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со второй 12 шиной источника питания через первый 23 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, а второй 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со второй 12 шиной источника питания через второй 24 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. Это позволяет по-иному устанавливать статический режим первого 14, второго 15, третьего 16, четвертого 17 дополнительных транзисторов.

На фиг. 4 приведена модифицированная схема фиг. 3 с дополнительной цепью согласования потенциалов 25, которая уменьшает влияние напряжения Эрли транзисторов на напряжение смещения нуля ОУ.

Для уменьшения выходного сопротивления заявляемого устройства в схеме фиг. 4 включен буферный усилитель 26, имеющий относительно выхода 27 малое выходное сопротивление. Это расширяет области применения заявляемого устройства.

В схеме фиг. 5 в качестве входного дифференциального каскада 1 используются составные транзисторы, реализуемые на входных биполярных (32, 33) и входных полевых (34,35) активных элементах. Это позволяет на основе заявляемого устройства реализовать операционные усилители с несколькими входами 28, 29, 30, 31.

Рассмотрим коротко работу ОУ фиг. 2.

За счет введения новых элементов (первого 14, второго 15, третьего 16 и четвертого 17 дополнительных транзисторов), а также новых связей между ними, эквивалентное сопротивление в цепи нагрузки входного дифференциального каскада 1 существенно повышается. Это является необходимым условием увеличения его коэффициента усиления по напряжению. При этом коэффициент усиления по напряжению выходного каскада на первом 6 и втором 7 выходных транзисторах не изменяется, а общий коэффициент усиления разомкнутого ОУ возрастает более чем на порядок.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ОУ-прототипом по величине разомкнутого коэффициента усиления по напряжению.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.422.600, фиг. 2.

2. Патент США №4.406.990, фиг. 4.

3. Патент США №5.952.882.

4. Патент США №4.723.111.

5. Патент США №4.293.824.

6. Патент США №5.323.121.

7. Патент США №5.420.540 fig. 1.

8. Патент RU №2.354.041 С1.

9. Патентная заявка США №2003/0201828 fig 1, fig 2.

10. Патент США №6.825.721 fig 1, fig 2.

11. Патент США №6.542.030 fig. 1.

12. Патент US 6.456.162, fig. 2.

13. Патент US 6.501.333.

14. Патент US 6.717.466.

15. Патентная заявка US №2002/0196079, fig 1.

16. Патент US №4.600.893, fig. 7.

17. Патент US №4.004.245.

18. Патент US №7.411.451, fig. 5.

19. Патент US №6.788.143.

20. Патент US 4.387.309.

21. Патент US 4.390.850.

22. Патент US 5.963.085.

23. Патент US 4.783.637.

24. Патент GB 2.035.003, fig. 2.

25. Патент US 7.215.200, fig. 6.

26. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - 208 с.

27. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов: монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.

28. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография / Н.Н. Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.

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

30. Основные параметры и уравнения базовых схем включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Бутырлагин, И.В. Пахомов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2014. Сборник трудов. Часть 3 / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, Зеленоград, 2014. - С. 111-116.

31. Основные свойства, параметры и базовые схемы включения мультидифференциальных операционных усилителей с высокоимпедансным узлом / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, П.С. Будяков // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 2 (233), Москва, ОАО «Пульсар», 2014 г. С. 53-64.

32. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 1 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №6, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_6_218.php.

33. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 2 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №7, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_7_216.php.

34. Проблемы проектирования аналоговых устройств с входными полевыми транзисторами. Часть 3 / О. Дворников // Компоненты и технологии, №8, 2005, http://kit-e.ru/articles/device/2005_8_184.php.

35. Архитектура и схемотехника дифференциальных усилителей с повышенным ослаблением синфазных сигналов: монография / Н.Н. Прокопенко, С.В. Крюков. - Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2008. - 329 с.

36. The main connection circuits of the radiation-hardened differential difference amplifier based on the bipolar and field effect technological process / N.N. Prokopenko, O.V. Dvornikov, N.V. Butyrlagin, A.V. Bugakova // 2014 12th International conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2014) proceedings in 7 Volumes; Novosibirsk, October 2-4, 2014. - Novosibirsk State Technical University. - Vol. 1. - P. 29-34 DOI: 10.1109/APEIE.2014.7040870.

1. Каскодный дифференциальный операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с общей эмиттерной цепью (2), согласованной с первой (3) шиной источника питания, первый (4) и второй (5) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), первый (6) и второй (7) выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к вспомогательному источнику напряжения (8), токовое зеркало (9), согласованное с первой (3) шиной источника питания, вход которого связан с коллектором первого (6) выходного транзистора, а выход подключен к коллектору второго (7) выходного транзистора и связан с токовым выходом (10) устройства, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (6) выходного транзистора и второй (12) шиной источника питания, второй (13) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (7) выходного транзистора и второй (12) шиной источника питания, отличающийся тем, что в схему введены первый (14), второй (15), третий (16), четвертый (17) дополнительные транзисторы, базы первого (14) и второго (15) дополнительных транзисторов подключены к первому (4) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), базы третьего (16) и четвертого (17) дополнительных транзисторов подключены к второму (5) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), объединенные эмиттеры первого (14) и второго (15) дополнительных транзисторов связаны с эмиттером второго (7) выходного транзистора, объединенные эмиттеры третьего (16) и четвертого (17) дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого (6) выходного транзистора, коллекторы второго (15) и третьего (16) дополнительных транзисторов соединены с первым (4) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а коллекторы первого (14) и четвертого (17) дополнительных транзисторов связаны со вторым (5) токовым выходом входного дифференциального каскада (1).

2. Каскодный дифференциальный операционный усилитель по п. 1, отличающийся тем, что первый (4) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан со второй (12) шиной источника питания через первый (23) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, а второй (5) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан со второй (12) шиной источника питания через второй (24) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для формирования сигнала пьезоэлектрического датчика для передачи по двухпроводному интерфейсу. .

Изобретение относится к устройствам усиления электрических сигналов на основе резонансных преобразователей электрической энергии. Задачей и техническим результатом является в способе и устройстве увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров от величины нагрузки с увеличением добротности резонансных контуров за счет однонаправленной передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, исключения сопротивления нагрузки из электрической цепи, обеспечивающей параметрическое усиление электрических колебаний, и использования энергии электрического поля уединенных емкостей, что приводит к параметрическому изменению емкости в резонансных контурах высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для регулирования обмоток генераторов. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в устройствах радиолокации. Технический результат заключается в повышении надежности устройства, который достигается за счет того, что в устройство, содержащее ЛБВ, источник питания анода (ИПА), источник питания коллектора (ИПК), источник питания накала (ИПН), источник напряжения отпирания (Uотп), источник напряжения запирания (Uзап), модулятор и диод, причем источники первым выводом соединены с катодом ЛБВ, а вторым выводом соответственно - с замедляющей системой (ЗС), коллектором и накалом ЛБВ и входами модулятора, выход модулятора соединен с анодом диода, катод которого соединен с другим выводом источника напряжения Uотп, введены коммутатор, датчик тока, резистор и второй диод.

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к вакуумным усилителям с распределенным взаимодействием. Техническим результатом является снижение входной емкости распределенного усилителя и, как следствие, увеличение верхней границы рабочего диапазона частот, а так же снижение массогабаритных показателей распределенного усилителя.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических установках. Технический результат заключается в увеличении динамического диапазона при усилении сигналов в узком диапазоне частот за счет снижения уровня шумов.

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в устройствах усиления электрических сигналов. Технический результат - увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров устройства от величины нагрузки.

Изобретение относится к радиоэлектронной технике. Технический результат изобретения заключается в повышении КПД и его стабильности, снижении массы и габаритов.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в повышении прецизионности операционного усилителя в условиях дестабилизирующих факторов.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ и может быть использовано преимущественно в качестве многокаскадных передатчиков повышенной мощности. Технический результат заключается в повышении КПД, выходной мощности, надежности и устойчивости в работе, а также снижении энергопотребления.

Изобретение относится к области радиоэлектроники в качестве быстродействующего устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в обеспечении более высоких уровней выходного тока «перегнутого каскода», это повышает быстродействие ОУ в режиме большого сигнала, уменьшает время установления переходного процесса.

Изобретение относится к радиолокации. .

Изобретение относится к области автоматического управления местоположением движущегося объекта и предназначено для определения координат движущегося объекта, например самолета или судна.

Изобретение относится к способам отображения радиолокационной информации на экранах индикаторов радиолокационных станций (РЛС). Достигаемый техническим результат - повышение достоверности и информативности радиолокационной информации о параметрах воздушных, надводных и наземных объектов.

Изобретение относится к средствам радиолокации и предназначено для отображения на экране координатно-знакового индикатора (КЗИ) информации о целях, находящихся в зонах неоднозначного и однозначного измерения дальности импульсного радиолокатора обзорного типа.

Изобретение относится к области радиолокационной техники, в частности к области электронных индикаторных устройств обзорных радиолокационных станций (РЛС). .

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя. Каскодный дифференциальный операционный усилитель содержит: входной дифференциальный каскад с общей эмиттерной цепью, согласованной с первой шиной источника питания, первый, второй, третий, четвертый дополнительные транзисторы, базы первого и второго дополнительных транзисторов подключены к первому токовому выходу входного дифференциального каскада, базы третьего и четвертого дополнительных транзисторов подключены ко второму токовому выходу входного дифференциального каскада, объединенные эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны с эмиттером второго выходного транзистора, объединенные эмиттеры третьего и четвертого дополнительных транзисторов соединены с эмиттером первого выходного транзистора, коллекторы второго и третьего дополнительных транзисторов соединены с первым токовым выходом входного дифференциального каскада а коллекторы первого и четвертого дополнительных транзисторов связаны со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Наверх