ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
BROADBAND DIFFERENTIAL OPERATING AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления ВЧ- и СВЧ-сигналов.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение каскадные операционные усилители (ОУ) с классической, а также с так называемой «перегнутой» архитектурой [1-19]. Их основное достоинство - широкий частотный диапазон, который, однако, ограничивается паразитными емкостями применяемых транзисторов, образующих с выходными сопротивлениями высокоимпедансных узлов достаточно низкочастотную постоянную времени.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель по заявке на патент US 2007/0069815. Он содержит (фиг. 1) первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора и через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 9 шине источника питания, цепь нагрузки 13, согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый 14 выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки 13 и коллектором первого 7 выходного транзистора, второй 15 выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки 13 и коллектором второго 11 выходного транзистора.
в
в
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что его верхняя граничная частота коэффициента усиления по напряжению существенно зависит от емкостей коллектор-база (затвор-исток) выходных транзисторов, которые образуют вместе с эквивалентным выходным сопротивлением цепи нагрузки достаточно «низкочастотную» постоянную времени (τ=1/2πf).
в
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении частотного диапазона ОУ - повышении его верхней граничной частоты коэффициента усиления по напряжению f без увеличения тока, потребляемого схемой в статическом режиме.
Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе (фиг. 1), содержащем первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора и через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 9 шине источника питания, цепь нагрузки 13, согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый 14 выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки 13 и коллектором первого 7 выходного транзистора, второй 15 выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки 13 и коллектором второго 11 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 7 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а база второго 11 выходного транзистора – с эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора.
На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства при его реализации на биполярных транзисторах в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства (фиг. 2) для случая, когда в качестве транзисторов используются КМОП полевые транзисторы.
На фиг. 4 представлена схема заявляемого устройства (фиг. 2) в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На фиг. 5 приведена схема ОУ-прототипа (фиг. 1) в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК13 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На фиг. 6 представлены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых ОУ на биполярных транзисторах (фиг. 4, фиг. 5).
На фиг. 7 показаны результаты моделирования амплитудно-частотных характеристик ОУ-прототипа и ОУ (фиг. 3) при их реализации на полевых КМОП транзисторах.
Широкополосный дифференциальный операционный усилитель (фиг. 2) содержит первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора и через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 9 шине источника питания, цепь нагрузки 13, согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый 14 выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки 13 и коллектором первого 7 выходного транзистора, второй 15 выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки 13 и коллектором второго 11 выходного транзистора. База первого 7 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а база второго 11 выходного транзистора подключена к эмиттеру второго 10 вспомогательного транзистора.
На фиг. 2 в качестве цепи нагрузки 13 используются (в частном случае) вспомогательные резисторы 16 и 17.
к7
к11
Рассмотрим работу схемы фиг. 2 на высоких частотах с учетом влияния на ее амплитудно-частотную характеристику емкостей коллектор-база С, С первого 7 и второго 11 выходных транзисторов.
Комплекс выходного сопротивления для первого 14 выхода ОУ (фиг. 2), определяющего амплитудно-частотную характеристику ОУ, находится в соответствии с классическим уравнением
к7
где  - комплекс тока через конденсатор С;
- комплекс тока коллектора первого 7 выходного транзистора;
- комплекс тока через первый 16 вспомогательный резистор цепи нагрузки 13;
5
7
α≈α≈0,99 - коэффициенты передачи по току эмиттера первого 5 вспомогательного и первого 7 выходного транзисторов.
После преобразования уравнений (1) и (2) можно найти, что в общем случае для ОУ фиг. 1 и ОУ фиг. 2
в
16
к7
где τ=RC - постоянная времени выходной цепи ОУ-прототипа.
5
7
Из уравнения (3) следует, что в ОУ-прототипе фиг. 1 (при α=α=0) выходное сопротивление зависит от частоты в соответствии со следующей формулой
В заявляемом ОУ фиг. 2 выходное сопротивление  характеризуется более высокочастотной постоянной времени
где
f
Как следствие, верхняя граничная частота  коэффициента усиления по напряжению в предлагаемой схеме ОУ повышается в сравнении с ОУ-прототипом в N-раз
Данный вывод подтверждается результатами эксперимента (фиг. 6, фиг. 7).
Таким образом, заявляемый операционный усилитель имеет существенное преимущество в сравнении с ОУ-прототипом по верхней граничной частоте.
Источники информации
1. Патент США №5.091.701, фиг. 1.
2. Патент США №6.448.853, фиг. 6.
3. Патент США №6.529.076.
4. Патент США №5.327.100, фиг. 2.
5. Патентная заявка США 2002/0196079, фиг. 1.
6. Патент США №5.734.296, фиг. 3.
7. Патентная заявка США 2003/0090321, фиг. 8.
8. Патент США №6.710.654.
9. Патент США №6.483.382, фиг. 2.
10. Патентная заявка США 2006/0202762.
11. Патент США №5.140.280, фиг. 1.
12. Патент США №4.600.893, фиг. 7.
13. Патент США №6.788.143.
14. Патент США №6.734.720, фиг. 1.
15. Патентная заявка США 2008/0186091, фиг. 4.
16. Патентная заявка США 2007/0069815.
17. Патент США №6.304.143, фиг. 3.
18. Патент Англии GB 2035003.
19. Патент RU 2411642.