ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
INPUT STAGE OF HIGH-SPEED OPERATIONAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ)).
Известны схемы входных каскадов ОУ выполненных в виде дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-т и p-n-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя µА741» [1-30].
На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом [29-30], стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Это связано с тем, что в таких ДУ минимизируется входная емкость из-за отсутствия эффекта Миллера. Предполагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является входной каскад операционного усилителя, описанный в патенте US 4.059.808, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый 3 и второй 4 вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов с объединенными базами, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый 13 токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства 14, 15, 16, 17, связанные с коллекторами входных 1, 2 и выходных 5, 6 транзисторов.
гр
вх.max
гр
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет сравнительно узкий динамический диапазон (U) линейного усиления дифференциальных сигналов (U<U≈100÷150 мВ). Как показано в [31], это обстоятельство является главной причиной невысокого быстродействия современных операционных усилителей, обусловленной нелинейным режимом работы входного каскада ОУ. При этом для большинства ОУ с высокоимпедансным узлом и одним корректирующим конденсатором максимальная скорость нарастания выходного напряжения
cp
где f - частота единичного усиления (частота среза) скорректированного ОУ;
гр
вых
вх
гр
U - напряжение ограничения проходной характеристики i=f(u) входного каскада (для классических ДУ U=50÷100 мВ).
вых
Из (1) следует, что повышение υ можно осуществить двумя качественно разными путями:
гр
1) Увеличением диапазона активной работы входного ДУ (параметра U) без изменения крутизны преобразования входного напряжения в выходные токи ДУ;
cp
2) Повышением f за счет улучшения частотных свойств транзисторов, что связано, прежде всего, с использованием более высокочастотных техпроцессов (SG25VD, SG25H1, SG25RH и др.).
гр
Заявляемый входной каскад ОУ решает задачу повышения быстродействия за счет увеличения (без изменения крутизны) более чем на порядок (до U=1÷2 В) диапазона линейной работы.
гр
Таким образом, основная задача предполагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала - получении U>> 100 мВ.
Поставленная задача достигается тем, что во входном каскаде операционного усилителя фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый 3 и второй 4 вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов с объединенными базами, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый 13 токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства 14, 15, 16, 17, связанные с коллекторами входных 1, 2 и выходных 5, 6 транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер второго 2 входного транзистора подключен к первому токостабилизирующему двухполюснику 13 через второй 12 вспомогательный прямосмещенный р-n переход, эмиттер первого 1 входного транзистора подключен к дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 18 через первый 11 прямосмещенный р-n переход, между общим узлом 19 первого 11 вспомогательного прямос-мещенного р-n перехода и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 18 и общим узлом 20 второго 12 вспомогательного прямосмещенно-го р-n перехода и первого 13 токостабилизирующего двухполюсника включены последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, общий узел 21 которых соединен с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов.
Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показана возможная архитектура быстродействующего операционного усилителя с предлагаемым входным каскадом фиг.2.
На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар»
вх
На чертеже фиг.5 представлена зависимость разности выходных токов (I(out1) - I(out2)) и (I(out3) - I(out4)) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u
вх
вх
На чертеже фиг.6 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out3) и I(out4) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u. Зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u представлена на чертеже фиг.7.
вх
var
На чертеже фиг.8 показана схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертежах фиг.9-фиг.12 зависимости разности выходных токов (I(out1) - I(out2)) и (I(out3) - I(out4)) от входного напряжения u ДУ фиг.8 при различных значениях сопротивления R.
вх
var
вх
var
На чертеже фиг.13 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u при сопротивлении R=200 Ом, а на чертеже фиг.14 - зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u при сопротивлении R=200 Ом.
вх
var
вх
var
На чертеже фиг.15 показана зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u при сопротивлении R=1 кОм, а на чертеже фиг.16 зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u при сопротивлении R=1 кОм в увеличенном масштабе.
вх
var
вх
var
На чертеже фиг.17 представлена зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u при сопротивлении R=1 кОм, а на чертеже фиг.18 зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u при сопротивлении R=1 кОм в увеличенном масштабе.
Входной каскад быстродействующего операционного усилителя фиг.2 содержит содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый 3 и второй 4 вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов с объединенными базами, первый 7 и второй 8 входы устройства, связанные с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый 13 токоста-билизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства 14, 15, 16, 17, связанные с коллекторами входных 1, 2 и выходных 5, 6 транзисторов. Эмиттер второго 2 входного транзистора подключен к первому токостабилизи-рующему двухполюснику 13 через второй 12 вспомогательный прямосмещенный р-n переход, эмиттер первого 1 входного транзистора подключен к дополнительному токостабилизирующему двухполюснику 18 через первый 11 прямосмещенный р-n переход, между общим узлом 19 первого 11 вспомогательного прямосмещенного р-n перехода и дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 18 и общим узлом 20 второго 12 вспомогательного прямосмещенного р-n перехода и первого 13 токостабилизирующего двухполюсника включены последовательно соединенные третий 9 и четвертый 10 вспомогательные резисторы, общий узел 21 которых соединен с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов.
В быстродействующем операционном усилителе фиг.3 используется предлагаемый входной каскад 22 (фиг.2), токовый выход 14 которого соединен со входом первого 23 токового зеркала, а токовый выход 17 подключен ко входу второго 24 токового зеркала, причем выходы токовых зеркал 23 и 24 связаны со входом буферного усилителя 25 и корректирующим конденсатором 26. В частном случае ОУ фиг.3 охвачен 100% обратной связью.
Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.
б
В связи с тем, что падение напряжения на резисторах 9, 10, создаваемое токами базы I транзисторов 5 и 6, мало, статические токи всех транзисторов схемы определяются токами токостабилизирущих двухполюсников 18 и 13. При этом за счет увеличения площадей эмиттерных переходов транзисторов 5 и 6 можно при нулевом входном напряжении ДУ обеспечить следующие эмиттерные токи транзисторов схемы
,
0
18
13
где I=I=I - ток двухполюсников 13 и 18.
Если напряжение на первом 7 входе (Вх.1) ДУ становится больше напряжения на втором 8 входе ДУ, то коллекторные токи транзисторов 1 и 5 увеличиваются, а транзисторов 2 и 4 уменьшаются. При этом часть входного дифференциального напряжения «выделяется» на резисторе 9 (10), что приводит к увеличению «открывающего» напряжения между базой транзистора 1 и базой транзистора 5
Таким образом коллекторные выходные токи транзисторов 1 и 5 будут пропорциональны входному напряжению
э1
э5
где r, r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1 и 5;
9
10
R=R - сопротивления резисторов 9 и 10;
5
β- коэффициент усиления по току базы транзистора 5;
3
R - сопротивление первого 3 низкоомного (10÷20 Ом) вспомогательного резистора.
э1
э1
э5
Учитывая, что при увеличении I сопротивления r и r уменьшаются, из (3) можно найти, что
- крутизна ДУ.
Уравнение (4) справедливо для следующих амплитуд входных напряжений
вых
гр
Таким образом, диапазон активной работы ДУ фиг.2 определяется произведением (5) и может выбираться в соответствии с требуемыми значениями к максимальной скорости нарастания выходного напряжения (υ) операционного усилителя (1). Данные выводы подтверждаются графиками фиг.9-фиг.18, из которых следует, что диапазон активной работы заявляемого ДУ увеличивается на порядок в сравнении с U ДУ-прототипа.
вых
вх
Таким образом лроходная характеристика i=f(u) заявляемого ДУ "продлевается" в область больших токов (фиг.9 - фиг.18), значительно превышающих статические токи транзисторов ДУ. Это характерно для транзисторных каскадов класса «АВ»
вх
При отрицательном u ДУ фиг.2 работает аналогично.
Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.8, представленные на графиках фиг.9-фиг.18, подтверждают полученные выше теоретические выводы.
Предлагаемый ДУ имеет существенное преимущество в сравнении с ДУ-прототипом и может использоваться в структуре быстродействующих операционных усилителей различного функционального назначения, а также в аналоговых микросхемах с широким диапазоном линейной работы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №3.786.362
2. Патент США №4.030.044
3. Патент США №4.059.808, фиг.5
4. Патент США №4.286.227
5. Авт.свид. СССР №375754, H03f 3/38
6. Авт.свид. СССР №843164, H03f 3/30
7. Патент США №3.660.773
8. Патент США №4.560.948
9. Патент РФ №2930041, H03f 1/32
10. Патент Японии №57-5364, H03f 3/343
2
11. Патент ЧССР №134845, кл. 21а 18/08
2
12. Патент ЧССР №134849, кл. 21а 18/08
2
13. Патент ЧССР №135326, кл. 21а 18/08
14. Патент США №4.389.579
15. Патент Англии №1543361, Н3Т
16. Патент США №5.521.552 (фиг.3а)
17. Патент США №4.059.808
18. Патент США №5.789.949
19. Патент США №4.453.134
20. Патент США №4.760.286
21. Авт.свид. СССР №1283946
22. Патент РФ №2019019
23. Патент США №4.389.579
24. Патент США №4.453.092
25. Патент США №3.566.289
26. Патент США №4.059.808 (фиг.2)
27. Патент США №3.649.926
28. Патент США №4.714.894 (фиг.1)
29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.
30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.
31. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. - Л., 1979.- 148 с.