Операционный усилитель

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1;736119 (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 25.05.77 (2() 2495102/18-24 (51)М. Кл.

G 06 G 7/12 с присоединением заявки N—

Государственный комитет (23) П риоритет—

Опубликовано 25.05.80. Бюллетень № 19

Дата опубликования описания 26.05.80

ll0 делам изооретений н открытий (53) УДК 681.

335. (088.8) Г. Б. Волобуев, Л. П, Домнин, В. И. Заец и С..А. Сбоев (72) Авторы изобретения!

Воронежский политехнический инстит т- = — --- -- .— (7!) Заявитель (54) ОПЕРА1(ИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к области ра. диотехники,. вычислительной техники, средств автоматики, телемеханики и может быть применено для построения регулируемых источников тока, в амплитудных модуляторах, аналоговых умножителях, 5 системах АРУ, компараторах, анапоговых вычислительных машинах, системах автоматического регулирования и т.п.

Известен операционный усилитель, состоящий из двух дифференциальных каскадов, цепи смещения уровня, усилителя мощности и построенный с использованием пассивных резистивных нагрузок (1).

Напичие пассивных нагрузок обусловливает увеличение числа усилительных каскадов. увеличивает потребляемую мощl ность, снижает усиление и устойчивость работы вследствие увеличения числа фозо-20 инверсных каскадов. Применение стабипитронов и резисторов в цепи смещения уровня приводит к ограничению функциональных возможностей, уменьшению час тотного диапазона и увеличению уровня шума всего усилителя.

Кроме этого, в известном операционном усилитеп имеется значительный температурный дрейф электрических параметров усилителя.

Известен также операционный усилитель на транзисторах одного типа проводимости, содержащий входной и промежуточный каскады, вынопненные по дифференциальной схеме с генераторами тока, каскады смещения уровня с цепью темпера турной компенсации и мощный выходной каскад, имеющий дифференциальный выход (2j

Усилитель выполнен с использованием резистивных нагрузок, ограничивающих частотный диапазон и надежность усидитепя. Увеличение числа фазоинверсных каскадов снижает помехоустойчивость усилителя и увеличивает потребляемую, мощность.

Наиболее близким цо технической сущности к предложенному является операци736 1

3 онный усилитель, содержащий две пары транзисторов с противопопожным типом проводимости, при этом база входного транзистора, каждой пары является входом операционного усилителя, эмиттер

5 входного транзистора соединен с эмиттером выходного транзистора лррь: противопопожного типа проводимости, базы выход цях транзисторов подключены к источнику тока и двухкаскадный уси.питепь g0 мощности, каждый каскад которого выпопнен на двух дифференциально-включенных транзисторах-инверторах противоположного типа проводимости, коппекторы которых являются выходом операционного 15 усилителя, эмиттер каждого транзистораинвертора соединен с базой, а база — с коллектором транзисторов токовой защиты, эмиттеры которых подкпючены к соответствующему попюсу источника питания, сое- 20 диненному через соответствующие резисторы смешения с эмиттерами транзисторов-инверторов каждого каскада усилителя мошнрсти (3)

К недостаткам этого операционного 25 усилителя следует отнести низкую выходную мощность (не более 200 мвт), малое быстродействие и недостаточнук> точность из-за высокого температурного дрейфа (20-30 мкВ/С ). 30

Цель изобретения — увеличение выходной мощности повышение точности и быстродействия.

Поставпенная цель достигается тем, 35 что в операционный усилитель введены транзисторы смешения уровня и нагрузочные термостабилизирующие диоды, при этом коллектор входного транзистора каждой пары соединен с первым выводом пер40 вого и второго нагрузочных термостабидизируюших диодов соответственно с базой первого и второго транзистора смещения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры первоГо и второго

45 транзисторов смешения уровня подкаочены к источнику питания, а коплекторык базам транзисторов-инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усили50 тепя мощности, вторые и выводы первоГо и второго нагрузочных термостабипизирующих диодов соединены с источником питания через соответствующие резисторы смещения, к оп лекторы вы ходны х тран55 зисторов каждой пары подключены соответственно к третьему и четвертому нагрузочным термостабилизируюшим диодам и к базе соответственно третьего и чет19 4 вертого транзисторов смешения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры второго и третьего транзисторов смещения уровня соединены с источником питания, а коллекторы — с базами транзисторов — инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы третьего и четвертого нагрузочных термостабилизирующих диодов подключены к источнику питания.

На чертеже показана принципиальная электрическая схема операционного усилителя.

Операционный усилитель состоит из двух пар транзисторов 1, 2, 3 и 4 с противоположным типом проводимости, при этом транзисторы 1 и 2 являются входными транзисторами пары, а транзисторы 3 и 4 — выходными транзисторами пары нагрузочных термостабилизирующих диодов 5,6,7 и 8,транзисторов

9, 10, 11 и 12 смешения уровня, источника тока 13, дифференциально-включенных транзисторов-инверторов 14 и

15 противоположного типа проводимости, транзисторов 16 и 17 токовой защиты резисторов 18 и 19 смещения перво-. го каскада усилителя 20 мощности, транзисторов-инверторов 21 и 22 противоположного типа проводимости, транзисторов 23 и 24 токовой защиты и резисторов 25 и 26 смещения второго каскада усилителя 27 мощности.

Эмиттеры входных транзисторов l u

2 пары соединены соответственно с эмиттерами выходных транзисторов 3 и 4 пары противоположного типа проводимости, объединенные между собой базы выходных транзисторов 3 и 4 подключены к регулируемому термостабильному источнику тока 13; 28 — внешний задающий резистор источника тока 13.

Колпекторы транзисторов 1 и 2 соединены с нагрузочными термостабилизируюшими диодами 5 и 6 и базами транзисторов 9 и 10 смещения уровня противоположного типа проводимости. Вторые выводы диодов 5 и 6 через никзоомные резисторы 29 и 30 смещения подключены к положительному полюсу источника питания. Коллектор транзистора 9 соединен с базой транзистора-инвертора

15 первого каскада усилителя 20 мощности. К оллект ор тра нзистора 1 0 с оединен с базой транзистора-инвертора 22 второго каскада усилителя 27 мощности.

При этом проводимость транзисторов-ин5 736 1 верторов 15 и 22 аналогична проводимости входных транзисторов 1 и 2. Коллекторы выходных транзисторов 3 и 4 соединены с нагрузочными термостабилизирующими диодами 7 и 8 и базами транзисторов 11 и 12 смешения уровня

-с противоположным типом проводимости. Вторые выводы диодов 7 и 8 подключены к отрицательному попюсу источника питания. Коллектор транзистора 11 соединен с базой транзистора-инвертора 21 второго каскада усилителя 27 мощности а коллектор транзистора 12 соединен с базой транзистора-инвертора 14 первого каскада усилителя 20 мощности. При этом проводимость транзисторов-инверторов 14 и 21 аналогична проводимости выходных транзисторов 3 и 4 пары.

Коплекторы транзисторов-инверторов

14, 15 и 21, 22 попарно соединены меж- о ,ду собой и образуют дифференциальный выход усилителя.

Резисторы 18, 19, 25 и 26 смешения и, соответственно, транзисторы 16, 17, 23 и 24 образуют токовую защиту выходных каскадов операционного усилителя.

Работа усилителя происходит следующим образом.

При подаче на входы усилителя входного сигнала он усиливается транзисторами

1,2 и 3, 4, включенными по дифференциапьной схеме, причем усиление сигнала происходит как вверх (коллекторы тран35 зисторов 1 и 2) так и "вниз (колпекторы транзисторов 3 и 4). Усиленные по току входные сигналы с коллекторов транзисторов 1, 2 и 3, 4 подаются соответственно на базы транзисторов 9, 10 40 и 11, 12 смещения уровня инвертируютР ся ими с их коллекторов подаются в фазе на базы транзисторов 15, 22 и 21, 14 фазоинверсных выходных каскадов.

На соединенных коллекторах транзисторов 45

14, 15 и 21, 22 усиленные сигналы складываются в фазе, причем сигналы на выходах усилителя против офазны между собой. Поэтому мощность, выделяющаяся в нагрузке, включенной между выходами усилителя, удваивается. Симметрия плеч выходных каскадов обеспечивает высокую линейность усилителя.

Дпя расширения функциональных возможностей операционного усилителя его электрический режим задается внешним

-резистором 28, что обуславливает работу в различных режимах и с различной выходной мощностью.

19 6

При поступпении на входы усилителя сигналов помех общего вида, т.е. синфазных сигналов, возникающих при воздействии внешних электро-магнитных полей, колебаниях температуры окрущаюшей среды, помех в цепях источников питания и т.д. на базы транзисторов 1 и 2, 3 и 4, 9 и 10, 11 и 12 попадают соответственно сигналы, близкие по амплитуде и одинаковые по фазе. Затем синфазные сигналы с коллекторов транзисторов 9 и 12, 10 и 11 соответственно поступают в противофазе на базы транзисторов

15 и 14, 21 и 22 и на их коллекторах компенсируются. Кроме этого, малое усиление помех общего вида обуславливается вкпючением баз транзисторов 3 и 4 в цепь источника тока 13, обладающего высоким выходным импедансом.

Таким образом помехоустойчивость усилителя, а следовательно, и его точность значительно повышаются. Выходная мощность усилителя при использовании соответствующего теплоотвода составляет

100 — 200 Вт, а коэффициент подавления синфазного сигнала 100-140 дб.

Введение диодной термостабипизации цепей смешения уровня (диоды 5,6,7 и

8) во входном дифференциальном каскаде обеспечивает высокую термостабильность усилителя, а компенсация нестабильности на его выходах вследствие предложенного построения схемы значительно снижает общий температурный дрейф усилителя.

Так, температурный дрейф напряжения смещения нуля предложенного усилитепя не а превышает 1-3 мкВ/ С. Поскольку при построении схемы усилителя транзисторы используются как усилители тока, т.е. как усилители, обладающие низким входным и высоким выходным сопротивпениями, а также вследствие введения полной симметрии схемы относительно источников питания, помехоустойчивость усилителя по цепям литания высока и составляет 5-10 мкВ /В.

Искпючение высокоомных пассивных нагрузок и симметричное распределение рассеиваемой мощности в выходных каскадах усилителя (транзисторы 14, 21 и 15, 22) обусловливает оптимальный температурный режим усилителя, при котором искпючается локальный перегрев отдельных компонентов и последующий их отказ, т.е. предложенное оптимальное построение схемы усилителя позволяет значитепьно повысить его надежность.

736 1 формула изобретения

Операционный усилитель, содержащий две пары транзисторов с противоположным типом проводимости, при этом база входного транзистора каждой пары является входом операционного усилителя, эмиттер входного транзистора соединен с эмиттером выходного транзистора пары про тивоположного типа проводимости, базы 0 выходных транзисторов подключены к источнику тока, и двухкаскадный усилитель мощности, каждый каскад которого вынолнен из двух дифференциально-включенных транзисторах-инверторах противо- 1 положного типа проводимости„коллекторй которых являются выходом операционного усилителя, эмиттер каждого транзистора-инвертора соединен с базой, а база — с коллектором транзисторов токовой защиты, эмиттеры которых подключены к соответствующему полюсу источника питания, соединенному через соответствующие резисторы смещения с эмиттерами транзисторов-инверторов каждого каскада усипите25 ля мощности, о т и и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью увеличения выходной мощности, повышения точности и быстродействия, в него введены транзисторы смещения уровня и нагрузочные термо30 стабилизирующие диоды, при этом коллектор входного транзисторе каждой пары соединен с первым выводом первого и второго нагрузочных термостабилизирующих диодов соответственно с базой первого и второго транзистора смещения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры первого и второго транзисторов смещения уровня подключены к источнику питания, а коллекторы— к базам транзисторов-инверторов проти воположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы первого и второго нагрузочных термостабилизирующих диодов соединены с источником питания через соответствующие резисторы смещения, коллекторы выходных транзисторов каждой пары подключены соответственно к третьему и четвертому нагрузочны м термостабилизирующим диодам и к базе соответственно третьего и четвертого транзисторов смещения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры второго и третьего транзисторов смещения уровня соединены с источником питания, е коллекторы — с базами транзисторов-инверторов противоположного типе проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы третьего и четвертого нагрузочных термостабилизируюших диодов подключены к источнику питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Интегральный операционный усилитель 1УТ402.

2. Авторское свидетельство СССР

Мо 414705, кл. Н 03F 3/34, 1971.

3. Полонников Д. E. Решающие усипители М., Энергия", 1973, 220-221, 232-233 (прототип).

736119

Составитель С. Белан

Редактор В. Зарванская Техред М. Кузьма Корректор Т. Скворпова

Заказ 2277/7 Тираж 751 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Ращуская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4