БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МОСТОВЫМ ВХОДНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ КАСКАДОМ
HIGH-SPEED OPERATIONAL AMPLIFIER WITH BRIDGE INPUT DIFFERENTIAL STAGE

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в различных аналоговых и аналого-цифровых интерфейсах для обработки сигналов датчиков физических величин.
В современной радиоэлектронной аппаратуре, приборостроении и измерительной технике находят широкое применение быстродействующие операционные усилители (ОУ), которые определяют динамические параметры многих аналого-цифровых преобразователей (АЦП), драйверов линий связи, устройств частотной селекции и т.п. Методам повышения максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ (SR) посвящено значительное количество патентов, монографий и статей, в т.ч.  [1-19].
Сегодня широкое распространение получили операционные усилители с двухкаскадной архитектурой, которая включает мостовой входной дифференциальный каскад (ДК), два токовых зеркала и буферный усилитель [1-19]. Предполагаемое изобретение относится к данному классу устройств.
Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является ОУ по патенту US 5.374.897, fig. 2, 1994 г. Кроме этого данная схема представлена в US 6.542.032, fig.2, 2003 г., US 5.512.859, fig.4, 1996 г., US 2005/0024149, fig.2, fig. 4, 2005 г. ОУ-прототип (фиг. 1) содержит неинвертирующий 1 и инвертирующий 1* входы устройства, потенциальный выход устройства 2, первый 3 и второй 4 идентичные буферные усилители, входящие в структуру входного мостового дифференциального каскада, входы которых связаны с неинвертирующим 1 и инвертирующим 1* входами устройства, а соответствующие потенциальные выходы 5 и 5* соединены друг с другом через токоограничивающий резистор 6, первый 7 токовый выход первого 3 буферного усилителя соединен со входом первого 8 токового зеркала, согласованного с первой 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход первого 3 буферного усилителя соединен со входом второго 11 токового зеркала, согласованного со второй 12 шиной источника питания, выходы первого 8 и второго 11 токовых зеркал соединены друг с другом и подключены к выходу устройства 2 через выходной усилитель 13 и связаны с корректирующим конденсатором 14, причем первый 3 буферный усилитель включает первый 15 и второй 16 входные транзисторы, базы которых подключены к неинвертирующему 1 входу устройства, коллектор первого 15 входного транзистора соединен со второй 12 шиной источника питания, коллектор второго 16 входного транзистора соединен с первой 9 шиной источника питания, первый 17 и второй 18 выходные транзисторы, объединенные эмиттеры которых подключены к потенциальному выходу 5 первого 3 буферного усилителя, база первого 17 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 15 входного транзистора и через первый источник опорного тока 19 связана с первой 9 шиной источника питания, база второго 18 выходного транзистора соединена с эмиттером второго 16 входного транзистора и через второй 20 источник опорного тока связана со второй 12 шиной источника питания, кроме этого, коллектор первого 17 выходного транзистора соединен с первым 7 токовым выходом первого 3 буферного усилителя, коллектор второго 18 выходного транзистора соединен со вторым 10 токовым выходом первого 3 буферного усилителя, кроме этого, второй 4 буферный усилитель идентичен первому 3 буферному усилителю и включает третий 15* и четвертый 16* входные транзисторы, базы которых подключены к инвертирующему 1* входу устройства, коллектор третьего 15* входного транзистора соединен со второй 12 шиной источника питания, коллектор четвертого 16* входного транзистора соединен с первой 9 шиной источника питания, третий 17* и четвертый 18* выходные транзисторы, объединенные эмиттеры которых подключены к потенциальному выходу 5* второго 4 буферного усилителя, база третьего 17* выходного транзистора соединена с эмиттером третьего 15* входного транзистора и через третий 19* источник опорного тока связана с первой 9 шиной источника питания, база четвертого 18* выходного транзистора соединена с эмиттером четвертого 16* входного транзистора и через четвертый 20* источник опорного тока связана со второй 12 шиной источника питания, кроме этого, коллектор третьего 17* выходного транзистора соединен с первым 7* токовым выходом второго 4 буферного усилителя, коллектор четвертого 18* выходного транзистора соединен со вторым 10* токовым выходом второго 4 буферного усилителя, причем первый 7* токовый выход второго 4 буферного усилителя согласован с первой 9 шиной источника питания, а второй 10* токовый выход второго 4 буферного усилителя согласован со второй 12 шиной источника питания.
p1
p2
p1
p2
*
*
Следует отметить, что архитектура ОУ на чертеже фиг. 1 с мостовым входным дифференциальным каскадом, включающем четыре эмиттерных повторителя на транзисторах 15 и 16, 15* и 16*, является основой многих серийных аналоговых микросхем [1-19]. Однако из-за наличия паразитных емкостей C, C, C, C   в цепи эмиттеров вышеназванных входных эмиттерных повторителей известные схемы ОУ не реализуют предельные параметры по максимальной скорости нарастания выходного напряжения (SR). Действительно, входной положительный импульсный сигнал большой амплитуды на базах первого 15 и второго 16 входных транзисторов в ОУ со 100% отрицательной обратной связью передается на базу первого 17 выходного транзистора как «пилообразное» напряжение:
0
р1
0
p1
p2
p1
p2
*
*
где I – статический ток первого 19 источника опорного тока; С – суммарная паразитная емкость в эмиттере первого 15 входного транзистора, зависящая от паразитной емкости первого 19 источника опорного тока и емкости коллектор-база первого 17 выходного транзистора. Как следствие, это ограничивает производную тока коллектора первого 17 выходного транзистора (см. уравнение (1)), далее – производную выходного тока первого 8 токового зеркала и тока перезаряда корректирующего конденсатора ОУ 14. Эти эффекты  ограничивают предельные значения  SR ОУ. Данный недостаток присущ всем известным архитектурам ОУ рассматриваемого класса [1-19]. На практике он минимизируется за счет увеличения численных значений  I, что увеличивает входные токи ОУ и его общее энергопотребление. Возможно также применение более высокочастотных и, как следствие более дорогих технологий, уменьшающих паразитные емкости C, C, C, C.
(+)
(-)
*
*
p1
p2
p1
p2
Таким образом, существенный недостаток известного ОУ фиг. 1 состоит в том, что при его инвертирующем или неинвертирующем включении с традиционными резисторами общей отрицательной обратной связи, он имеет невысокую скорость нарастания выходного напряжения в режиме большого сигнала. Это обусловлено малыми значениями токов перезаряда его корректирующего конденсатора ОУ 14. По многим причинам этот ток не может выбираться большим. Кроме этого, ОУ-прототип фиг. 1 характеризуется разными значениями SR при положительной (SR) и отрицательной (SR) полярностях входного импульсного сигнала, что обусловлено неодинаковыми значениями емкостей паразитных конденсаторов CC, CC, которые определяется неидентичностью топологий n-p-n и p-n-p транзисторов.
p1
p2
p1
p2
*
*
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений SR без ухудшения энергетических параметров ОУ в статическом режиме, а также без использования дорогостоящих СВЧ технологических процессов его изготовления, уменьшающих паразитные емкости C, C, C, C.
предусмотрены новые элементы и связи –
Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем неинвертирующий 1 и инвертирующий 1* входы устройства, потенциальный выход устройства 2, первый 3 и второй 4 идентичные буферные усилители, входящие в структуру входного мостового дифференциального каскада, входы которых связаны с неинвертирующим 1 и инвертирующим 1* входами устройства, а соответствующие потенциальные выходы 5 и 5* соединены друг с другом через токоограничивающий резистор 6, первый 7 токовый выход первого 3 буферного усилителя соединен со входом первого 8 токового зеркала, согласованного с первой 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход первого 3 буферного усилителя соединен со входом второго 11 токового зеркала, согласованного со второй 12 шиной источника питания, выходы первого 8 и второго 11 токовых зеркал соединены друг с другом и подключены к выходу устройства 2 через выходной усилитель 13 и связаны с корректирующим конденсатором 14, причем первый 3 буферный усилитель включает первый 15 и второй 16 входные транзисторы, базы которых подключены к неинвертирующему 1 входу устройства, коллектор первого 15 входного транзистора соединен со второй 12 шиной источника питания, коллектор второго 16 входного транзистора соединен с первой 9 шиной источника питания, первый 17 и второй 18 выходные транзисторы, объединенные эмиттеры которых подключены к потенциальному выходу 5 первого 3 буферного усилителя, база первого 17 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 15 входного транзистора и через первый источник опорного тока 19 связана с первой 9 шиной источника питания, база второго 18 выходного транзистора соединена с эмиттером второго 16 входного транзистора и через второй 20 источник опорного тока связана со второй 12 шиной источника питания, кроме этого, коллектор первого 17 выходного транзистора соединен с первым 7 токовым выходом первого 3 буферного усилителя, коллектор второго 18 выходного транзистора соединен со вторым 10 токовым выходом первого 3 буферного усилителя, кроме этого, второй 4 буферный усилитель идентичен первому 3 буферному усилителю и включает третий 15* и четвертый 16* входные транзисторы, базы которых подключены к инвертирующему 1* входу устройства, коллектор третьего 15* входного транзистора соединен со второй 12 шиной источника питания, коллектор четвертого 16* входного транзистора соединен с первой 9 шиной источника питания, третий 17* и четвертый 18* выходные транзисторы, объединенные эмиттеры которых подключены к потенциальному выходу 5* второго 4 буферного усилителя, база третьего 17* выходного транзистора соединена с эмиттером третьего 15* входного транзистора и через третий 19* источник опорного тока связана с первой 9 шиной источника питания, база четвертого 18* выходного транзистора соединена с эмиттером четвертого 16* входного транзистора и через четвертый 20* источник опорного тока связана со второй 12 шиной источника питания, кроме этого, коллектор третьего 17* выходного транзистора соединен с первым 7* токовым выходом второго 4 буферного усилителя, коллектор четвертого 18* выходного транзистора соединен со вторым 10* токовым выходом второго 4 буферного усилителя, причем первый 7* токовый выход второго 4 буферного усилителя согласован с первой 9 шиной источника питания, а второй 10* токовый выход второго 4 буферного усилителя согласован со второй 12 шиной источника питания,  в схему первого 3 буферного усилителя введены первый 21 и второй 22 дополнительные транзисторы, база первого 21 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру первого 15 входного транзистора, коллектор первого 21 дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания, эмиттер первого 21 дополнительного транзистора через первый 23 дополнительный источник опорного тока связан с первой 9 шиной источника питания, база второго 22 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру второго 16 входного транзистора, коллектор второго 22 дополнительного транзистора соединен  с первой 9 шиной источника питания, а эмиттер второго 22 дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания через второй 24 дополнительный источник опорного тока, причем между эмиттером первого 15 входного транзистора и эмиттером второго 22 дополнительного транзистора включен первый 25 дополнительный корректирующий конденсатор, а между эмиттером первого 21 дополнительного транзистора и эмиттером второго 16 входного транзистора включен второй 26 дополнительный корректирующий конденсатор, кроме этого, в схему второго 4 буферного усилителя введены третий 21* и четвертый 22* дополнительные транзисторы, база третьего 21* дополнительного транзистора подключена к эмиттеру третьего 15* входного транзистора коллектор третьего 21* дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания, эмиттер третьего 21* дополнительного транзистора через третий 23* дополнительный источник опорного тока связан с первой 9 шиной источника питания, база четвертого 22* дополнительного транзистора подключена к эмиттеру четвертого 16* входного транзистора, коллектор четвертого 22* дополнительного транзистора соединен  с первой 9 шиной источника питания, а эмиттер четвертого 22* дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания через четвертый 24* дополнительный источник опорного тока, причем между эмиттером третьего 15* входного транзистора и эмиттером четвертого 22* дополнительного транзистора включен третий 25* дополнительный корректирующий конденсатор, а между эмиттером третьего 21* дополнительного транзистора и эмиттером четвертого 16* входного транзистора включен четвертый 26* дополнительный корректирующий конденсатор.
На чертеже фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого быстродействующего операционного усилителя в соответствии с формулой изобретения.
1
8
k
p1
p8
к1
к4
На чертеже фиг. 3 представлена схема быстродействующего ОУ фиг. 2 в среде LTspice на моделях транзисторов базового матричного кристалла MH2XA031 Минского ОАО «Интеграл» при t=27°C, +Vcc=-Vee=10 В, I÷I=100 мкА, С=2.8 пФ, С÷ С =1 пФ, R0=250 Ом, R1=1 ГОм, С÷С=1 пФ.
На чертеже фиг. 4 приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (ЛАЧХ) коэффициентов усиления по напряжению разомкнутого и замкнутого (со 100 % отрицательной обратной связью) ОУ фиг. 3.
к1
к4
На чертеже фиг. 5 показана переходная характеристика переднего фронта ОУ фиг. 3 при разных значениях емкостей первого 25 и второго 26, а также третьего 25* и четвертого 26* дополнительных корректирующих конденсаторов  С÷С=0 /3 пФ/8 пФ.
к1
к4
На чертеже фиг. 6 представлена переходная характеристика заднего фронта ОУ фиг. 3 при разных значениях емкостей первого 25 и второго 26, а также третьего 25* и четвертого 26* дополнительных корректирующих конденсаторов С÷С=0 /3 пФ/8 пФ.
Из чертежей фиг. 5 и фиг. 6 следует, что введение первого 25 и второго 26, а также третьего 25* и четвертого 26* дополнительных корректирующих конденсаторов улучшает быстродействие ОУ.
отличающийся тем, что
Быстродействующий операционный усилитель с мостовым входным дифференциальным каскадом содержит неинвертирующий 1 и инвертирующий 1* входы устройства, потенциальный выход устройства 2, первый 3 и второй 4 идентичные буферные усилители, входящие в структуру входного мостового дифференциального каскада, входы которых связаны с неинвертирующим 1 и инвертирующим 1* входами устройства, а соответствующие потенциальные выходы 5 и 5* соединены друг с другом через токоограничивающий резистор 6, первый 7 токовый выход первого 3 буферного усилителя соединен со входом первого 8 токового зеркала, согласованного с первой 9 шиной источника питания, второй 10 токовый выход первого 3 буферного усилителя соединен со входом второго 11 токового зеркала, согласованного со второй 12 шиной источника питания, выходы первого 8 и второго 11 токовых зеркал соединены друг с другом и подключены к выходу устройства 2 через выходной усилитель 13 и связаны с корректирующим конденсатором 14, причем первый 3 буферный усилитель включает первый 15 и второй 16 входные транзисторы, базы которых подключены к неинвертирующему 1 входу устройства, коллектор первого 15 входного транзистора соединен со второй 12 шиной источника питания, коллектор второго 16 входного транзистора соединен с первой 9 шиной источника питания, первый 17 и второй 18 выходные транзисторы, объединенные эмиттеры которых подключены к потенциальному выходу 5 первого 3 буферного усилителя, база первого 17 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 15 входного транзистора и через первый источник опорного тока 19 связана с первой 9 шиной источника питания, база второго 18 выходного транзистора соединена с эмиттером второго 16 входного транзистора и через второй 20 источник опорного тока связана со второй 12 шиной источника питания, кроме этого, коллектор первого 17 выходного транзистора соединен с первым 7 токовым выходом первого 3 буферного усилителя, коллектор второго 18 выходного транзистора соединен со вторым 10 токовым выходом первого 3 буферного усилителя, кроме этого, второй 4 буферный усилитель идентичен первому 3 буферному усилителю и включает третий 15* и четвертый 16* входные транзисторы, базы которых подключены к инвертирующему 1* входу устройства, коллектор третьего 15* входного транзистора соединен со второй 12 шиной источника питания, коллектор четвертого 16* входного транзистора соединен с первой 9 шиной источника питания, третий 17* и четвертый 18* выходные транзисторы, объединенные эмиттеры которых подключены к потенциальному выходу 5* второго 4 буферного усилителя, база третьего 17* выходного транзистора соединена с эмиттером третьего 15* входного транзистора и через третий 19* источник опорного тока связана с первой 9 шиной источника питания, база четвертого 18* выходного транзистора соединена с эмиттером четвертого 16* входного транзистора и через четвертый 20* источник опорного тока связана со второй 12 шиной источника питания, кроме этого, коллектор третьего 17* выходного транзистора соединен с первым 7* токовым выходом второго 4 буферного усилителя, коллектор четвертого 18* выходного транзистора соединен со вторым 10* токовым выходом второго 4 буферного усилителя, причем первый 7* токовый выход второго 4 буферного усилителя согласован с первой 9 шиной источника питания, а второй 10* токовый выход второго 4 буферного усилителя согласован со второй 12 шиной источника питания,  в схему первого 3 буферного усилителя введены первый 21 и второй 22 дополнительные транзисторы, база первого 21 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру первого 15 входного транзистора, коллектор первого 21 дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания, эмиттер первого 21 дополнительного транзистора через первый 23 дополнительный источник опорного тока связан с первой 9 шиной источника питания, база второго 22 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру второго 16 входного транзистора, коллектор второго 22 дополнительного транзистора соединен  с первой 9 шиной источника питания, а эмиттер второго 22 дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания через второй 24 дополнительный источник опорного тока, причем между эмиттером первого 15 входного транзистора и эмиттером второго 22 дополнительного транзистора включен первый 25 дополнительный корректирующий конденсатор, а между эмиттером первого 21 дополнительного транзистора и эмиттером второго 16 входного транзистора включен второй 26 дополнительный корректирующий конденсатор, кроме этого, в схему второго 4 буферного усилителя введены третий 21* и четвертый 22* дополнительные транзисторы, база третьего 21* дополнительного транзистора подключена к эмиттеру третьего 15* входного транзистора коллектор третьего 21* дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания, эмиттер третьего 21* дополнительного транзистора через третий 23* дополнительный источник опорного тока связан с первой 9 шиной источника питания, база четвертого 22* дополнительного транзистора подключена к эмиттеру четвертого 16* входного транзистора, коллектор четвертого 22* дополнительного транзистора соединен  с первой 9 шиной источника питания, а эмиттер четвертого 22* дополнительного транзистора связан со второй 12 шиной источника питания через четвертый 24* дополнительный источник опорного тока, причем между эмиттером третьего 15* входного транзистора и эмиттером четвертого 22* дополнительного транзистора включен третий 25* дополнительный корректирующий конденсатор, а между эмиттером третьего 21* дополнительного транзистора и эмиттером четвертого 16* входного транзистора включен четвертый 26* дополнительный корректирующий конденсатор.
Рассмотрим работу предлагаемого быстродействующего ОУ на чертеже фиг. 2.
р1
c25
19
(+)
При большом импульсном сигнале на неинвертирующем входе 1 ОУ в схеме со 100% отрицательной обратной связью первый 15 входной транзистор практически мгновенно запирается, а паразитный конденсатор С заряжается током первого 19 источника опорного тока, к которому добавляется значительный импульсный ток i>>I через первый 25 дополнительный корректирующий конденсатор:
A
вых.8
вых.8
(+)
(+)
Как следствие, потенциал на базе первого 17 выходного транзистора u имеет «более прямоугольную форму», что приводит к быстрому изменению его тока эмиттера через резистор 6 и, как следствие, входного и выходного токов i первого 8 токового зеркала. В результате интегрирующий корректирующий конденсатор 14 перезаряжается относительно большим импульсным током i, что повышает максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ.
Предлагаемая схема ОУ фиг. 2 допускает независимую регулировку SR при разных полярностях входного импульсного сигнала, что обеспечивается соответствующим выбором емкостей первого 25 и второго 26 дополнительных корректирующих конденсаторов, которые в этом случае должны быть не одинаковы.
О высоком быстродействии заявляемого ОУ свидетельствуют графики переходных процессов на чертежах фиг. 5 - фиг. 7, из которых можно определить, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения предлагаемого ОУ увеличивается с 83 В/мкс до 2500-3000 В/мкс.
Таким образом, в сравнении с ОУ-прототипом, предлагаемый ОУ обладает существенными преимуществами по динамическим параметрам в режиме большого сигнала. Данный положительный эффект обеспечивается за счет введения дополнительных корректирующих конденсаторов сравнительно небольшой емкости (25, 26, 25*,  26*) и  не требует увеличения тока потребления ОУ в статическом режиме.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.399.991, fig. 2, 1995 г.
2. Патентная заявка US  2005/0024149, fig. 4, 2005 г.
3. Патент US 6.492.870, fig. 2, 2002 г.
4. Патент US 6.278.326, fig.11, 2001 г.
5. Патент US 6.294.958, 2001 г.
6. Патентная заявка US 2004/0232968, fig. 12, 2004 г.
7. Патент US 6.429.744, 2002 г.
8. Патент US 5.510.754, fig. 2, 1996 г.
9. Патентная заявка US 2004/0212430, fig. 2, 2004 г.
10. Патентная заявка US 2002/0011875, fig. 1, 2002 г.
11. Патент US 6.542.032, fig.2, fig.3, 2003 г.
12. Патент US 5.150.074, fig. 1, 1992 г.
13. Патент US 5.374.897, fig. 4, 1994 г.
14. Патент US 5.512.859, fig. 4, 1996 г.
15. Патент US 6.459.338, fig. 2, 2002 г.
16. Патент US 6.262.633, fig. 2a, 2001 г.
17. Патентная заявка US 2005/0128000, fig. 2, 2005 г.
18. Патент US 6.710.655, fig. 3, 2004 г.
19.Патентная заявка US 2010/0225393, fig. 1B, 2010 г.