ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ
OPERATIONAL AMPLIFIER HAVING GAIN ADJUSTMENT CIRCUIT

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, в компараторах и решающих усилителях с управляемыми параметрами, а также аналоговых микросхемах (AM) с цепями частотной коррекции коэффициента усиления или программируемых AM).
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные операционные усилители (ОУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ОУ с двухканальной активной нагрузкой, обеспечивающей непосредственное управление двухтактным выходным буферным усилителем [1-10]. Такие ОУ имеют двухканальную передачу сигнала через управляемую активную нагрузку (АН) и характеризуются более высоким диапазоном рабочих частот благодаря наличию каскодной структуры и наибольшим быстродействием, которое обеспечивается исключением нелинейных режимов в данной АН.
Предлагаемое изобретение относится также к классу ОУ на базе несимметричных входных каскадов [1÷10], которые до сих пор находили применение только в устройствах с низкими требованиями к стабильности нулевого уровня.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому схемотехническому решению является классическая схема ОУ фиг.1, представленная в патенте US 3.697.882, fig.2 (или SE 362177, fig.2), которая также присутствует в большом числе других патентов и монографий, например [1÷10], имеющих в качестве цепи нагрузки входных транзисторов двухканальные токовые зеркала с несимметричным включением (по отношению к входному каскаду). Это одна из перспективных архитектур ОУ, так как она обеспечивает (при минимально возможной сложности) получение двуполярных амплитуд выходного напряжения, близких к напряжениям питания, и имеет хорошие показатели по частотному диапазону благодаря каскодной структуре.
у
у
Существенный недостаток известного ОУ фиг.1 состоит в том, что в нем не предусмотрена (физически не реализуется) «опережающая» коррекция коэффициента усиления (К) в частотной области, что не позволяет увеличивать К с повышением частоты и компенсировать таким образом отрицательное влияние на частотную характеристику и на показатели устойчивости ОУ физических инерционностей схемы (емкостей на подложку транзисторов, емкостей коллектор-база, паразитных емкостей и т.п.).
у
Кроме этого, в известном ОУ изменение К возможно только путем управления статическим режимом транзисторов, т.е. величиной потребляемого тока от источника питания, что не всегда допустимо.
у
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий для введения в ОУ элементов «опережающей» частотной коррекции с целью формирования заданных амплитудно-частотных характеристик ОУ и обеспечения запаса устойчивости по амплитуде и фазе, а также управления величиной К в тех случаях, когда заявляемая архитектура используется в качестве устройства с программируемыми параметрами.
Поставленная задача решается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, токовое зеркало 5, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и базе выходного транзистора 7, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, включенный между коллектором выходного транзистора 7 и первой 4 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 9, вход которого соединен с коллектором выходного транзистора 7, причем эмиттер выходного транзистора 7 связан со входом токового зеркала 5, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер выходного транзистора 7 связан со входом токового зеркала 5 через цепь коррекции коэффициента усиления 10 и соединен со второй 6 шиной источника питания через дополнительный двухполюсник обратной связи 11.
Схема ОУ-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого ОУ в соответствии с п.1, п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема ОУ фиг.2 с конкретным выполнением токового зеркала 5 (п.2 формулы изобретения), цепи коррекции коэффициента усиления 10 (п.6 формулы изобретения), дополнительного двухполюсника обратной связи 11 (п.4 формулы изобретения), а также п.5 формулы изобретения, характеризующего включение согласующего p-n перехода 17.
На чертежах фиг.4 приведены частные варианты построения цепи коррекции коэффициента усиления 10, которые соответствуют:
- фиг.4а - п.6 формулы изобретения,
- фиг.4б - п.7 формулы изобретения,
- фиг.4в - п.8 формулы изобретения,
- фиг.4г - п.9 формулы изобретения,
- фиг.4д - п.10 формулы изобретения.
18
10
На чертеже фиг.5 представлена схема предлагаемого ОУ (п.6, п.3 формулы изобретения) в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов. В частном случае, при выборе сопротивления дополнительного резистора 18 R=R=n var=0, данная схема соответствует схеме ОУ-прототипа фиг.1.
18
10
На чертеже фиг.6 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг.5 при разных значениях сопротивления резистора R10 данной схемы (резистора 18 фиг.3 цепи коррекции коэффициента усиления 10: R=R=r=n var).
На чертеже фиг.7 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению ОУ фиг.5 при разных значениях параметров цепи коррекции 10, реализованной в соответствии с п.7 формулы изобретения и чертежом фиг.4б в виде конденсатора.
10
кор
На чертеже фиг.8 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления ОУ фиг.5 при разных значениях сопротивления резистора R=Rn var (резистора цепи коррекции
коэффициента усиления 10, соответствующей фиг.4а и п.6 формулы изобретения).
На чертеже фиг.9 приведена схема предлагаемого ОУ в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при реализации цепи коррекции коэффициента усиления 10 в соответствии с чертежом фиг.4в и п.8 формулы изобретения.
var
На чертеже фиг.10 приведены амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления схемы фиг.9 при разных значениях емкости конденсатора С=C входящего в структуру цепи коррекции коэффициента усиления 10.
11
На чертеже фиг.11 приведена схема предлагаемого ОУ в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при реализации цепи коррекции коэффициента усиления 10 в соответствии с чертежом фиг.2. В частном случае при выборе сопротивления резистора R=0 данная схема соответствует схеме ОУ-прототипа.
var
На чертеже фиг.12 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению схемы фиг.11 при разных значениях емкости конденсатора C, входящего в цепь коррекции коэффициента усиления 10, соответствующую фиг.2.
Операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, токовое зеркало 5, согласованное со второй 6 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и базе выходного транзистора 7, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, включенный между коллектором выходного транзистора 7 и первой 4 шиной источника питания, выходной буферный усилитель 9, вход которого соединен с коллектором выходного транзистора 7, причем эмиттер выходного транзистора 7 связан со входом токового зеркала 5. Эмиттер выходного транзистора 7 связан со входом токового зеркала 5 через цепь коррекции коэффициента усиления 10 и соединен со второй 6 шиной источника питания через дополнительный двухполюсник обратной связи 11.
Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, дополнительный двухполюсник обратной связи 11 выполнен в виде второго 14 дополнительного прямосмещенного p-n перехода.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, токовое зеркало 5 содержит первый 12 вспомогательный транзистор, эмиттер которого подключен ко второй 6 шине источника питания, база соединена со входом токового зеркала 5, коллектор - с его выходом, а между базой первого 12 вспомогательного транзистора и второй 6 шиной источника питания включен первый 13 дополнительный p-n переход.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, дополнительный двухполюсник обратной связи 11 выполнен в виде двух параллельно включенных третьего 15 и четвертого 16 дополнительных прямосмещенных p-n переходов. Такое решение обеспечивает одинаковые потенциалы между узлами, к которым подключается цепь коррекции коэффициента усиления 10.
Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п.5 формулы изобретения, выход токового зеркала 5 подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и базе выходного транзистора 7 через согласующий p-n переход 17. Это обеспечивает идентичность статических режимов по напряжению коллектор-база входных транзисторов 25, 26 дифференциального каскада 1 и минимизирует напряжение смещения нуля ОУ.
Кроме этого, на чертежах фиг.3 и фиг.4а, в соответствии с п.6 формулы изобретения, цепь коррекции коэффициента усиления 10 выполнена в виде первого 18 дополнительного резистора.
На чертеже фиг.4б, в соответствии с п.7 формулы изобретения, цепь коррекции коэффициента усиления 10 выполнена в виде первого 19 дополнительного конденсатора, который формирует желаемую амплитудно-частотную характеристику ОУ.
На чертеже фиг.4в, в соответствии с п.8 формулы изобретения, цепь коррекции коэффициента усиления 10 выполнена в виде последовательно соединенных второго 20 дополнительного резистора и второго 21 дополнительного конденсатора. Такое решение позволяет «выключить» влияние конденсатора 21 на высоких частотах.
у
На чертеже фиг.4г, в соответствии с п.9 формулы изобретения, цепь коррекции коэффициента усиления 10 выполнена в виде первой дополнительной индуктивности 22. В этом случае с повышением частоты суммарный К операционного усилителя повышается.
На чертеже фиг.4д, в соответствии с п.10 формулы изобретения, цепь коррекции коэффициента усиления 10 выполнена в виде последовательно соединенных второй дополнительной индуктивности 23 и третьего 24 дополнительного конденсатора.
Во всех рассматриваемых схемах ОУ входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 25, 26 и источнике тока 27.
Рассмотрим факторы, определяющие зависимость коэффициента усиления по напряжению от параметров цепи коррекции 10 при ее выполнении в виде резистора 18.
у
18
10
Определим два предельных значения коэффициента усиления (К) ОУ фиг.3, которые реализуются при двух крайних значениях сопротивления резистора 18 цепи коррекции коэффициента усиления 10: R=0 и R=∞.
18
у1
При R=0 схема фиг.3 совпадает со схемой ОУ-прототипа и ее коэффициент усиления К определяется по формуле
3
2
вх
где i≈i - приращения выходных токов узлов 3 и 2 входного каскада 1, обусловленные изменением u;
c
R - эквивалентное сопротивление в узле «C»;
эi
0
- дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 25, 26 входного дифференциального каскада 1 при токе эмиттера I=I;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
18
у.2
у2
1
2
Если R=∞, то коэффициент усиления схемы ОУ фиг.3 (K) существенно возрастает и определяется произведением K=KK,
1
где K - коэффициент усиления по напряжению подсхемы, образованный входным дифференциальным каскадом 1 и токовым зеркалом 5
2
K - коэффициент усиления по напряжению от узла 2 к узлу «C» (входу буферного усилителя 9)
18
вх.7
Если учесть, что , а эквивалентное сопротивление R2 в узле 2 при R=0 определяется входным сопротивлением транзистора 7 (r), то суммарный коэффициент усиления ОУ в рассматриваемом режиме:
где
вых.2
где r - выходное сопротивление входного каскада 1 относительно узла 2;
вых.5
R - выходное сопротивление токового зеркала 5;
э7
r - сопротивление эмиттерного перехода транзистора 7;
э15.16
r - эквивалентное сопротивление в эмиттере транзистора 7.
Таким образом
у
Из последних уравнений можно найти диапазон перестройки К:
7
Таким образом, при изменении сопротивления двухполюсника 10 (для фиг.3 - резистора R18) в диапазоне 0÷∞, коэффициент усиления ОУ изменяется в β раз (50÷100 раз или на 25÷40 дБ).
8
0
Следует заметить, что узлы «A» и «B» в схеме фиг.3 эквипотенциальны, т.е. через двухполюсник 18 протекает нулевой статический ток. Это обеспечивается (при I=2I) параллельным включением p-n переходов 15 и 16 (фиг.3).
В качестве переменного резистора 18 (R18, фиг.3) в заявляемых схемах могут применяться полевые транзисторы. Это позволяет выполнять ОУ с программируемым коэффициентом усиления.
8
0
см
8
см
Авторы рекомендуют выбирать ток двухполюсника 8 на уровне I=2I. При этом статический ток базы транзистора 7 будет равен величине 2Iбn, что обеспечивает в схеме фиг.3 близкое к нулю напряжение смещения нуля (U). При других значениях I и других вариантах реализации двухполюсника обратной связи U≠0.
A
2
см
Для минимизации влияния напряжения Эрли входных транзисторов 25 и 26 входного дифференциального каскада 1 вводится согласующий p-n переход 17 (фиг.3), который обеспечивает равенство U=U, что также уменьшает U.
Компьютерное моделирование схем фиг.5, фиг.9, фиг.11 подтверждает данные теоретические выводы (фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.10, фиг.12).
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент RU №2193293, fig.2, АООТ завод «Микрон» г.Зеленоград.
2. Патент США №4.250.460.
3. Патент США №3.843.935, fig.2.
4. Патент США №4.366.442.
5. Патент США №3.569.848, fig.7 (А2-В2).
6. Патент Японии JP 52-149946.
7. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е.Полонников. - М., 1983. - стр.141, рис.4.14.
8. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.259 (микросхема 1450УД1, ТАА 2761).
9. Журнал «Схемотехника» №3, 2001, стр.3.
10. Справочник «Electronics information series: Linear integrated circuit D.A.T.A. bock», Edition 21, 1979, Condura Company, US, New Jersey, P212, fig.A358, HA1-4625, HA1-4605, www.datasheetarchive.com/HA-4625-5-datasheet.html - США.