ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С НИЗКООМНОЙ НАГРУЗКОЙ
OPERATIONAL AMPLIFIER WITH LOW-RESISTANCE LOAD

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), компараторах, стабилизаторах напряжения и т.п.).
н
у
В современной микроэлектронике широко применяются операционные усилители на основе комплементарных входных каскадов и двух токовых зеркал, согласованных с шинами положительного и отрицательного источников питания [1÷6]. Данная архитектура ОУ относится к числу достаточно широкополосных и весьма часто используется в ВЧ и СВЧ аналоговых устройствах. Однако при низкоомных нагрузках (например, волновых сопротивлениях линий связи R=50 Ом) такие ОУ имеют невысокие коэффициенты усиления по напряжению (К).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ОУ (фиг.1), рассмотренный в статье А.Н.Пилипенко, А.А.Лебедева «Особенности построения широкополосного операционного усилителя с параллельным каналом на основе комплементарной высокочастотной биполярной технологии» // Материалы научно-технической конференции: «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2009, с.35-37. Он содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, согласованное с первой 5 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второе 6 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый 10 и второй 11 последовательно включенные p-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки 12, связанную с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой 5 и второй 7 шинами источника питания.
н
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8÷10 раз коэффициента усиления по напряжению ОУ при использовании сравнительно низкоомных двухполюсников нагрузки (например, R=50 Ом).
Поставленная задача решается тем, что в операционном усилителе, фиг.1, содержащем входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, согласованное с первой 5 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второе 6 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый 10 и второй 11 последовательно включенные p-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки 12, связанную с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой 5 и второй 7 шинами источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - общий узел первого 10 и второго 11 p-n-переходов соединен с объединенными выходами первого 4 и второго 6 токовых зеркал и связан с базами первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с базой первого 8 выходного транзистора и через первый 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан с базой второго 9 выходного транзистора и через второй 16 вспомогательный двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, причем коллектор первого 13 дополнительного транзистора связан с входом второго 6 токового зеркала, а коллектор второго 14 дополнительного транзистора подключен ко входу первого 4 токового зеркала.
На фиг.1 приведена схема ОУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, представлена на фиг.2.
н
у
На фиг.3 и 4 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.3) и схема заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3, 4) от частоты. Данные графики показывают, что несмотря на применение низкоомной нагрузки (R=50 Ом) в схеме фиг.4 коэффициент усиления по напряжению улучшается в 8÷10 раз в сравнении с К известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ОУ.
corr
На фиг.6 показаны графики фиг.5 при наличии в схеме корректирующего конденсатора C=2,5 pF.
На фиг.7 приведены графики частотной зависимости коэффициента усиления ОУ при 100% общей отрицательной обратной связи.
Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой, фиг.2, содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, согласованное с первой 5 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второе 6 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый 10 и второй 11 последовательно включенные p-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки 12, связанную с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой 5 и второй 7 шинами источника питания. Общий узел первого 10 и второго 11 p-n-переходов соединен с объединенными выходами первого 4 и второго 6 токовых зеркал и связан с базами первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с базой первого 8 выходного транзистора и через первый 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан с базой второго 9 выходного транзистора и через второй 16 вспомогательный двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, причем коллектор первого 13 дополнительного транзистора связан с входом второго 6 токового зеркала, а коллектор второго 14 дополнительного транзистора подключен ко входу первого 4 токового зеркала.
В схемах фиг.1 и 2 входной комплементарный дифференциальный каскад 1 реализован по токовой схеме на базе p-n-p-транзисторов 17, 18 и двухполюснике 19, а также n-p-n-транзисторах 20 и 21 и двухполюснике 22. Токовые зеркала 4 и 6 выполняются по классическим схемам. Функции первого 15 и второго 16 вспомогательных двухполюсников могут выполнять резисторы или источники опорного тока.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
0
Статический режим транзисторов и двухполюсников схемы связан с некоторым опорным значением тока I (например, 1 мА) следующими соотношениями:
(+)
вх.2
А
12
Если на вход Вх.2 подается положительное напряжение u, то это вызывает увеличение напряжения в узле «А» (u), а также напряжения на базах транзисторов 8 и 9 и, как следствие, напряжения на нагрузке 12 (u).
Причем:
б8
Поэтому приращение тока базы (i) транзистора 8:
8
где β - коэффициент усиления по току базы транзистора 8;
н
R - сопротивление резистора нагрузки 12.
б8
ПТ2
б8
Ток i делится пополам между p-n-переходом 10 и эмиттером транзистора 13 и через токовое зеркало 6 передается в узел «А». В результате в узле «А» происходит взаимная компенсация двух близких по величине токов i-i, что повышает коэффициент усиления ОУ до уровня:
13
где α≈1 - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 13;
i12.6
К≈1 - коэффициент передачи по току второго 6 токового зеркала;
эi
0
- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 20 и 21 при токе эмиттера I=I;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
После преобразований (4) можно получить, что
13
i12.6
где Т=α, К≤1.
Из (5) следует, что в предлагаемом ОУ при T≈1 коэффициент усиления по напряжению возрастает в сравнении с прототипом в N раз, где
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг.5-7.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №5.814.953.
2. Патент США №3.974.455, fig.7.
3. Патент США №5.225.791.
4. Патент США №3.968.451, fig.7.
5. Патент SU №1220105.
6. Пилипенко А.Н. Особенности построения широкополосного операционного усилителя с параллельным каналом на основе комплементарной высокочастотной биполярной технологии: Материалы научно-технической конференции: «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» [Текст] // А.Н.Пилипенко, А.А.Лебедев. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2009, с.35-37.