ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
OPERATIONAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение операционные усилители (ОУ), выполненные на основе входного дифференциального каскада с симметричной активной нагрузкой в виде источников опорного тока [1-9]. Их основное достоинство - повышенный коэффициент усиления по напряжению, который обеспечивается двумя каскадами усиления.
13
2
Для работы в условиях космического пространства, в экспериментальной физике необходимы радиационно-стойкие ОУ с несколькими дифференциальными входами, обеспечивающими функциональное преобразование нескольких аналоговых сигналов. Мировой опыт проектирования устройств данного класса показывает, что решение этих задач возможно с использованием биполярно-полевого технологического процесса [10], обеспечивающего формирование р-канальных полевых и высококачественных n-р-n биполярных транзисторов с радиационной стойкостью до 1 Мрад и потоком нейтронов до 10 н/см. Однако для таких ОУ необходима специальная схемотехника, учитывающая ограничения биполярно-полевой технологии [10].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель по патенту US 3.614.645, fig. 1. Кроме этого, данная архитектура ОУ приведена в патенте 7.411.541, fig. 2, а также в монографии [9]. ОУ-прототип содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входные биполярные транзисторы, базы которых связаны с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами операционного усилителя, токовое зеркало 5, согласованное с первой 6 шиной источника питания, выход которого связан с токовым выходом операционного усилителя 7 и коллектором первого 8 выходного транзистора, а вход соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, первый 10 вспомогательный транзистор, база которого подключена к базе второго 11 вспомогательного транзистора и соединена с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, а также подключена ко второй 12 шине источника питания через вспомогательный двухполюсник 13, причем коллектор первого 10 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 9 выходного транзистора, коллектор второго 11 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 8 выходного транзистора, эмиттеры первого 10 и второго 11 вспомогательных транзисторов связаны со второй 12 шиной источника питания.
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что в нем не обеспечивается дифференциальное преобразование нескольких входных напряжений. Кроме этого, в известной схеме ОУ для установления статического режима транзисторов входного каскада необходим специальный функциональный узел - источник опорного тока, существенно влияющий на статические параметры устройства. В конечном итоге, это снижает прецизионность известного ОУ.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании высокостабильного с несколькими входами симметричного по входам и промежуточному каскаду ОУ, не содержащего классических источников опорного тока, устанавливающих статический режим транзисторов входного и промежуточного каскадов. Это позволяет повысить прецизионность ОУ в условиях дестабилизирующих факторов, а также расширяет его функциональные возможности в сравнении с классическими ОУ.
Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные биполярные транзисторы, базы которых связаны с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами операционного усилителя, токовое зеркало 5, согласованное с первой 6 шиной источника питания, выход которого связан с токовым выходом операционного усилителя 7 и коллектором первого 8 выходного транзистора, а вход соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, первый 10 вспомогательный транзистор, база которого подключена к базе второго 11 вспомогательного транзистора и соединена с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, а также подключена ко второй 12 шине источника питания через вспомогательный двухполюсник 13, причем коллектор первого 10 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 9 выходного транзистора, коллектор второго 11 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 8 выходного транзистора, эмиттеры первого 10 и второго 11 вспомогательных транзисторов связаны со второй 12 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 14 и второй 15 дополнительные полевые транзисторы с управляющим pn-переходом, исток первого 14 дополнительного полевого транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного биполярного транзистора, исток второго 15 дополнительного полевого транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного биполярного транзистора, затвор первого 14 дополнительного полевого транзистора соединен с первым 16 дополнительным входом операционного усилителя, затвор второго 15 дополнительного полевого транзистора соединен со вторым 17 дополнительным входом операционного усилителя, сток первого 14 дополнительного полевого транзистора соединен с базой второго 9 выходного транзистора, сток второго 15 дополнительного полевого транзистора соединен с базой первого 8 выходного транзистора, причем тип проводимости первого 1 и второго 2 входных биполярных транзисторов соответствует типу проводимости первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, а коллекторы первого 1 и второго 2 входных биполярных транзисторов связаны с первой 6 шиной источника питания.
На чертеже фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 3, а на чертеже фиг. 4 - п. 4 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 5 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 5, а на чертеже фиг. 6 в соответствии с п. 6 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 7 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 7 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 8 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 8, а на чертеже фиг. 9 в соответствии с п. 9 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 10 представлена функциональная схема заявляемого устройства фиг. 9.
На чертеже фиг. 11 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 10 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 12 приведена схема заявляемого устройства фиг. 3 в режиме инвертирующего усилителя в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 НПО «Интеграл» (г. Минск), которая использовалась для моделирования амплитудно-частотных характеристик ОУ со 100% обратной связью. Из этой характеристики, а также анализа фазовых соотношений в схеме следует, что коэффициент усиления по напряжению ОУ фиг. 12 равен минус единице.
На чертеже фиг. 13 показаны амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 12 со 100% отрицательной обратной связью.
На чертеже фиг. 14 приведена зависимость напряжения смещения нуля ОУ фиг. 12 от потока нейтронов (а) и температуры в диапазоне минус 60-80°С (б). Данные характеристики получены для случая, когда элементы схемы обладают высокой идентичностью, т.е. данные графики показывают предельные возможности заявляемого ОУ.
На чертеже фиг. 15 приведены временные характеристики входного и выходного синусоидального напряжения схемы фиг. 12, которые показывают, что выходное напряжение заявляемого устройства противофазно его входному напряжению.
На чертеже фиг. 16 приведена схема заявляемого устройства фиг. 4 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На чертеже фиг. 17 показаны амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя фиг. 16 для случая, когда коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи 26 равен 0,5, а его коэффициент усиления в данной схеме включения Kу=-2.
На чертеже фиг. 18 приведена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_4 НПО «Интеграл» (г. Минск) для случая, когда входной сигнал подается на первый 16 дополнительный вход ОУ, а общая обратная связь отсутствует.
На чертеже фиг. 19 показаны амплитудно-частотные характеристики разомкнутого операционного усилителя фиг. 18 (без отрицательной обратной связи).
Операционный усилитель фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные биполярные транзисторы, базы которых связаны с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами операционного усилителя, токовое зеркало 5, согласованное с первой 6 шиной источника питания, выход которого связан с токовым выходом операционного усилителя 7 и коллектором первого 8 выходного транзистора, а вход соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, первый 10 вспомогательный транзистор, база которого подключена к базе второго 11 вспомогательного транзистора и соединена с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, а также подключена ко второй 12 шине источника питания через вспомогательный двухполюсник 13, причем коллектор первого 10 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 9 выходного транзистора, коллектор второго 11 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 8 выходного транзистора, эмиттеры первого 10 и второго 11 вспомогательных транзисторов связаны со второй 12 шиной источника питания. В схему введены первый 14 и второй 15 дополнительные полевые транзисторы с управляющим pn-переходом, исток первого 14 дополнительного полевого транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного биполярного транзистора, исток второго 15 дополнительного полевого транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного биполярного транзистора, затвор первого 14 дополнительного полевого транзистора соединен с первым 16 дополнительным входом операционного усилителя, затвор второго 15 дополнительного полевого транзистора соединен со вторым 17 дополнительным входом операционного усилителя, сток первого 14 дополнительного полевого транзистора соединен с базой второго 9 выходного транзистора, сток второго 15 дополнительного полевого транзистора соединен с базой первого 8 выходного транзистора, причем тип проводимости первого 1 и второго 2 входных биполярных транзисторов соответствует типу проводимости первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, а коллекторы первого 1 и второго 2 входных биполярных транзисторов связаны с первой 6 шиной источника питания.
Коррекция амплитудно-частотной характеристики ОУ фиг. 2 может обеспечиваться корректирующими конденсаторами 20 или 21. Для уменьшения влияния напряжения Эрли первого 8 и второго 9 выходных транзисторов на напряжение смещения нуля ОУ предусмотрена цепь смещения 22, которая может быть выполнена в виде стабилитрона, резистора или нескольких прямосмещенных р-n переходов. Вспомогательный двухполюсник 13 выполнен на чертеже фиг. 2 в виде двух параллельно включенных р-n переходов (N=2).
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, к токовому выходу операционного усилителя 7 подключен вход дополнительного буферного усилителя 18, выход которого 19 является потенциальным выходом операционного усилителя.
На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения потенциальный выход операционного усилителя 19 связан со вторым 4 входом операционного усилителя, первый 3 вход операционного усилителя и второй 17 дополнительный вход операционного усилителя соединены с общей шиной 23 источников питания, а первый 16 дополнительный вход операционного усилителя является первым инвертирующим входом операционного усилителя. Кроме этого, на чертеже фиг. 3 предусмотрена общая шина источников питания 23, относительно которой подается входное 24 и снимается выходное 19 напряжения ОУ.
На чертеже фиг. 4, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, потенциальный выход операционного усилителя 19 связан со вторым 4 входом операционного усилителя через первый 25 четырехполюсник обратной связи, который выполнен в частном случае на основе резисторов R1 и R2.
На чертеже фиг. 5, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, потенциальный выход операционного усилителя 19 связан с первым 16 дополнительным входом операционного усилителя, первый 3 вход операционного усилителя и второй 17 дополнительный вход операционного усилителя связаны с общей шиной 23 источника питания, а второй 4 вход операционного усилителя является вторым инвертирующим входом операционного усилителя.
На чертеже фиг. 6, в соответствии с п. 6 формулы изобретения, потенциальный выход операционного усилителя 19 связан с первым 16 дополнительным входом операционного усилителя через второй 26 четырехполюсник обратной связи.
На чертеже фиг. 7, в соответствии с п. 7 формулы изобретения, первый 16 дополнительный вход операционного усилителя соединен со вторым 4 входом операционного усилителя, а второй 17 дополнительный вход операционного усилителя подключен в первому 3 входу операционного усилителя.
На чертежах фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9, фиг. 11 вспомогательный двухполюсник 13 выполнен в виде двух параллельно включенных р-n переходов 13.1 и 13.2.
На чертеже фиг. 8, в соответствии с п. 8 формулы изобретения, в схему введены первый 27 и второй 28 дополнительные биполярные транзисторы, а также третий 29 и четвертый 30 дополнительные полевые транзисторы, база первого 27 дополнительного биполярного транзистора связана с третьим 31 дополнительным входом операционного усилителя, база второго 28 дополнительного биполярного транзистора связана с четвертым 32 дополнительным входом операционного усилителя, затвор третьего 29 дополнительного полевого транзистора связан с пятым 33 дополнительным входом операционного усилителя, затвор четвертого 30 дополнительного полевого транзистора связан с шестым 34 дополнительным входом операционного усилителя, коллекторы первого 27 и второго 28 дополнительных биполярных транзисторов подключены к первой 6 шине источника питания, эмиттер первого 27 дополнительного биполярного транзистора связан с истоком первого 29 дополнительного полевого транзистора, эмиттер второго 28 дополнительного биполярного транзистора связан с истоком четвертого 30 дополнительного полевого транзистора, сток третьего 29 дополнительного полевого транзистора подключен к базе второго 9 выходного транзистора, сток четвертого 30 дополнительного полевого транзистора подключен к базе первого 8 выходного транзистора.
На чертеже фиг. 9, в соответствии с п. 9 формулы изобретения, потенциальный выход операционного усилителя 19 связан с четвертым 32 дополнительным входом операционного усилителя.
На чертеже фиг. 10 представлена функциональная схема ОУ фиг. 9 и показаны его входные и выходные сигналы.
На чертеже фиг. 11, в соответствии с п. 10 формулы изобретения, первый 16 дополнительный вход операционного усилителя соединен со вторым 4 входом операционного усилителя, второй 17 дополнительный вход операционного усилителя связан с первым 3 входом операционного усилителя, шестой 34 дополнительный вход операционного усилителя связан с третьим 31 дополнительным входом операционного усилителя, пятый 33 дополнительный вход операционного усилителя соединен с четвертым 32 дополнительным входом операционного усилителя.
Рассмотрим работу ОУ фиг. 4, который в данной схеме включения является инвертирующим усилителем с высоким входным сопротивлением по первому 16 дополнительному входу. Это одна из существенных особенностей заявляемого устройства.
c14
c15
0
эб
Статический режим транзисторов схемы фиг. 4 устанавливается за счет соответствующего выбора геометрических размеров и топологии первого 14 и второго 15 дополнительных полевых транзисторов. Ток стока первого 14 и второго 15 дополнительных полевых транзисторов I=I=I определяется по их стоко-затворной характеристике при напряжении затвор-исток, равном напряжению эмиттер-база (U≈0,7 В) первого 1 и второго 2 входных биполярных транзисторов. Таким образом, для обеспечения статического режима в схеме фиг. 4 не требуются какие-либо другие источники опорного тока. В этом состоит одна из ее замечательных особенностей.
c14
c15
0
0
Токи стоков первого 14 и второго 15 дополнительных полевых транзисторов I=I=I определяют статический режим первого 10 и второго 11 вспомогательных транзисторов за счет местной отрицательной обратной связи по синфазному сигналу (первый 8 и второй 9 выходные транзисторы). Если в качестве вспомогательного двухполюсника 13 использовать два параллельно включенных р-n перехода, идентичных эмиттерным р-n переходам первого 10 и второго 11 вспомогательных транзисторов, то коллекторные токи первого 8 и второго 9 выходных транзисторов будут соответствовать току I, который определяется геометрией первого 14 и второго 15 дополнительных полевых транзисторов. Таким образом, промежуточный каскад ОУ также не требует использования каких-либо традиционных источников опорного тока.
см
Дополнительный источник напряжения 22 (резистор, р-n переходы и т.п.) включен для согласования статических режимов первого 8 и второго 9 выходных транзисторов по напряжению коллектор-база. Его применение позволяет уменьшить влияние эффекта Эрли первого 8 и второго 9 выходных транзисторов на напряжение смещения нуля ОУ (U).
Рассмотрим далее зависимость коэффициента передачи по напряжению схемы фиг. 4 от параметров элементов.
Усиление по петле отрицательной обратной связи ОУ фиг. 4 при единичном коэффициенте передачи токового зеркала 5 определяется формулой
где ,
- коэффициент передачи четырехполюсника отрицательной обратной связи 25;
- коэффициенты передачи по напряжению первого, второго и третьего каскадов ОУ;
m15
g - крутизна стоко-затворной характеристики полевого транзистора 15;
Σ3
R - эквивалентное сопротивление в высокоимпедансном узле Σ3;
эi
r - сопротивление прямосмещенного эмиттерного р-n перехода i-го транзистора.
При этом в формуле (2) эквивалентная проводимость в высокоимпедансном узле Σ2:
,
i8
где y - входная проводимость транзистора 8 по цепи базы,
i11
y - выходная проводимость транзистора 11 по цепи коллектора,
i15
y - выходная проводимость транзистора 15 по цепи стока.
Причем
,
,
,
i
где μ - коэффициент внутренней обратной связи i-го транзистора в схеме с общей базой 11 (общим затвором, 15).
В результате анализа схемы фиг. 4 (с учетом ее высокой симметрии) можно найти, что при Т>>1 модуль коэффициента передачи по напряжению ОУ
При этом усилитель фиг. 4 является инвертирующим, а его коэффициент передачи по напряжению определяется отношением резисторов R1 и R2 (3).
у
При 100% отрицательной обратной связи схема фиг. 4 является инвертирующим повторителем входного напряжения с K≈-1.
Если входной сигнал подать на первый 3 вход или на второй 17 дополнительный вход, а первый 16 дополнительный вход подключить к общей шине, то в схеме фиг. 4 реализуется неинвертирующее усиление входного сигнала с коэффициентом передачи, который определяется формулой (3).
Аналогичными свойствами обладают и схемы ОУ фиг. 5 и фиг. 6.
гр
Особенность схемы фиг. 7 состоит в том, что она может иметь повышенное быстродействие в связи с тем, что ее входной каскад характеризуется более широким диапазоном активной работы (напряжение ограничения U). Это связано с тем, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ с однополюсной частотной коррекцией (С21) определяется формулой
,
1
где f - частота единичного усиления ОУ.
В схеме фиг. 8 введен второй многоканальный входной дифференциальный каскад на транзисторах 27, 28, 29 и 30. Общее число входов в таком ОУ возрастает до восьми, что позволяет обеспечить преобразование (алгебраическое суммирование и т.п.), как минимум, семи разных входных сигналов (фиг. 10).
Так, выходное напряжение в схеме фиг. 9 при достаточно большом петлевом усилении Т>>1 можно найти по формуле
,
ij
где u - напряжение на ij-том входе ОУ.
В схеме фиг. 11 два входных дифференциальных каскада реализованы соответственно на транзисторах 1, 2, 14, 15 и 27, 28, 29, 30 с расширенным диапазоном активной работы. Данная схема ОУ имеет только 4 входа, но характеризуется повышенным быстродействием и при однополюсной частотной коррекции (С21).
Представленная на чертеже фиг. 13 амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжения замкнутого ОУ фиг. 12 показывает, что схема фиг. 12 является инвертирующим усилителем с коэффициентом передачи минус единица, а также характеризуется повышенным входным сопротивлением, которое определяется свойствами полевого транзистора Q3 по цепи затвора.
Предлагаемые схемотехнические решения имеют малые значения систематической составляющей напряжения смещения нуля при температурных и радиационных воздействиях (фиг. 14).
у
3
Амплитудно-частотная характеристика фиг. 17 ОУ фиг. 16 показывает, что за счет изменения резисторов обратной связи R2, R3 можно обеспечить инвертирующий коэффициент усиления K=-2 при высоком входном сопротивления по цепи затвора транзистора Q. Петлевое усиление в заявляемом ОУ обеспечивается двумя каскадами усиления и принимает значения в диапазоне 80 дБ (фиг. 19), что достаточно для многих применений.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными и может найти широкое применение в широкополосных системах обработки различных сигналов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 7.411.451, fig. 2
2. Патент US 4.607.232
3. Патент US 3.614.645, fig. 1, fig. 2
4. Патент US 5.963.085, fig. 3
5. Патент US 4.271.394, fig. 3
6. Патент US 4.069.460, fig. 1
7. Патент US 4.359.693, fig. 1
8. Патент US 4.348.602, fig. 1
9. Операционные усилители / И. Достал; Москва : Пер. с англ., Мир, 1982. - 512 с. (рис. 13.13б, стр. 77)
10. 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.