БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА
QUICK-ACTING OPERATING AMPLIFIER ON BASIS OF "BENT" CASCODE

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства преобразования аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения (например, решающих усилителях, драйверах линий связи).
Известны схемы так называемых перегнутых каскодных операционных усилителей (ОУ) на n-p-n- и p-n-p-транзисторах [1-40], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УДЗ и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ОУ на их модификации выдано более 50 патентов для ведущих производителей микроэлектронных изделий. Предлагаемое изобретение относится к этому подклассу устройств.
Среди ОУ данного подкласса можно выделить два типа устройств, имеющие в качестве нагрузки токовые зеркала (патент США №4.600.893 (fig. 7) или содержащие симметричную нагрузку в виде резисторов или источников опорного тока (патент США №4.600.893).
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №4.600.893, fig.7, содержащий входной каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом 2 и втором 3 выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания 4 через первый 5 и второй 6 низкоомные резисторы и подключены к выходам 7 и 8 входного каскада с расширенным диапазоном активной работы 1, выходной буферный каскад 9, вход которого соединен с корректирующим конденсатором 1, выходом 11 токового зеркала 11 и коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход 13 токового зеркала 12 подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада.
вых
ср
вых
Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что из-за нелинейных режимов работ применяемого «перегнутого» каскода он имеет небольшие значения максимальной скорости нарастания выходного напряжения (ϑ). Так, при частоте единичного усиления f=30 МГц и «идеальном» входном каскаде (1), обладающим линейным диапазоном активной работы во всем диапазоне изменения входного напряжения, максимальная скорость нарастания ϑ замкнутого ОУ лежит в диапазоне 50÷100 В /мкс. Это недостаточно для многих применений.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении в 5÷10 раз максимальной скорости нарастания выходного напряжения.
Поставленная цель достигается тем, что в быстродействующем операционном усилителе, фиг.1, содержащем входной каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом 2 и втором 3 выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания 4 через первый 5 и второй 6 низкоомные резисторы и подключены к выходам 7 и 8 входного каскада с расширенным диапазоном активной работы 1, выходной буферный каскад 9, вход которого соединен с корректирующим конденсатором 10, выходом 11 токового зеркала 12 и коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход 13 токового зеркала 12 подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 14 и второй 15 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, третий 16 и четвертый 17 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем коллекторы второго 15 и третьего 16 дополнительных транзисторов соединены с базами первого 2 и второго 3 выходных транзисторов промежуточного каскада и подключены к дополнительному двухполюснику 18, коллектор первого 14 дополнительного транзистора соединен с коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, коллектор четвертого 17 дополнительного транзистора соединен с выходом 11 токового зеркала 12, а эмиттеры всех дополнительных транзисторов 14, 15,16, 17 связаны с шиной источника питания 4.
Схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения показана на фиг.2.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства (фиг.2) в среде компьютерного моделирования Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НИИ «Пульсар», а на фиг.4 - схема ОУ-прототипа (фиг.1).
На фиг.5 приведена схема входного каскада 1, которая использовалась при моделировании в ОУ, фиг.3 и фиг.4.
Фазочастотные и амплитудно-частотные характеристики ОУ, фиг.4 (без НКЦ), и заявляемого ОУ, фиг.3 (с НКЦ), приведены на фиг.6. Эти графики показывают, что частота единичного усиления заявляемого ОУ увеличилась почти в два раза до 55,6 МГц.
1
2
3
4
Переходные процессы в сравниваемых ОУ, фиг.3 и фиг.4, при одинаковых статических режимах транзисторов и различных сопротивлениях токоограничивающих резисторов R в эмиттерных цепях транзисторов 14-17 (фиг.3, R=R=R=R=R) приведены на фиг.7. Эти графики показывают, что в предлагаемой схеме ОУ максимальная скорость нарастания выходного напряжения возрастает в 8 раз при одновременном повышении частоты единичного усиления ОУ в два раза (фиг.6).
Быстродействующий операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной каскад 1 с расширенным диапазоном активной работы, промежуточный каскад на первом 2 и втором 3 выходных транзисторах, базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания 4 через первый 5 и второй 6 низкоомные резисторы и подключены к выходам 7 и 8 входного каскада с расширенным диапазоном активной работы 1, выходной буферный каскад 9, вход которого соединен с корректирующим конденсатором 10, выходом 11 токового зеркала 12 и коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем вход 13 токового зеркала 12 подключен к коллектору первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада. В схему введены первый 14 и второй 15 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером первого 2 выходного транзистора промежуточного каскада, третий 16 и четвертый 17 дополнительные транзисторы, базы которых соединены с эмиттером второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, причем коллекторы второго 15 и третьего 16 дополнительных транзисторов соединены с базами первого 2 и второго 3 выходных транзисторов промежуточного каскада и подключены к дополнительному двухполюснику 18, коллектор первого 14 дополнительного транзистора соединен с коллектором второго 3 выходного транзистора промежуточного каскада, коллектор четвертого 17 дополнительного транзистора соединен с выходом 11 токового зеркала 12, а эмиттеры всех дополнительных транзисторов 14, 15, 16, 17 связаны с шиной источника питания 4.
Рассмотрим работу схемы ОУ, фиг.2.
5
6
э2
э3
В статистическом режиме токи I=I через резисторы 5 и 6 связаны с выходными токами входного каскада (1) и эмиттерными токами I=I выходных транзисторов 2 и 3 следующими уравнениями Кирхгофа:
7
8
где I=I - выходные статистические токи входного каскада (1);
эб
U≈0,7В - напряжение эмиттер - база транзисторов 14, 15, 16, 17.
Эмиттерные токи транзисторов 14÷17 определяются током двухполюсника 18:
13
11
Входной I и выходной I токи токового зеркала (12) удовлетворяют условию:
i12.12
где К≈1 - коэффициент передачи по току токового зеркала 12.
(-)
(+)
При введении 100% отрицательной обратной связи с выхода буферного каскада (9) на инвертирующий вход Вх.1 на выходе ОУ устанавливается статистическое напряжение неинвертирующего входа Вх.2. В частном случае это напряжение равно нулю.
(+)
(+)
(+)
вх
8
8
7
7
Если на неинвертирующий вход Вх.2 подается большой импульсный сигнал е с амплитудой, близкой к напряжению питания, то это приводит к увеличению на i  выходного тока I и уменьшению на i тока I входного каскада (1)
эф
где S - эффективная крутизна проходной характеристики входного каскада (1) на большом сигнале.
вых
эф
Для получения предельных величин максимальной скорости нарастания выходного напряжения ϑ эффективная крутизна для большого сигнала S должна соответствовать максимальному значению S входного каскада (ВК) (1). С этой целью в быстродействующих ОУ применяются различные способы нелинейной коррекции ВК [41].
Однако данный способ повышения быстродействия, дающий хорошие результаты в ОУ с другой архитектурой [41, 42], становится непригодным в ОУ с «перегнутыми» каскодами в связи с их структурными особенностями.
7
7
8
8
Действительно, классический «перегнутый» каскод, фиг.1, не обеспечивает во время переходного процесса большие токи перезаряда корректирующего конденсатора  пропорциональные выходным токам входного каскада: I±i, I±i. Практические значения  в схеме ОУ-прототипе (фиг.1) не больше, чем статистические токи через резисторы 5 и 6:
Это является основной причиной низкого быстродействия ОУ в режиме большого сигнала.
В заявляемой схеме ОУ имеется два канала передачи сигналов от узлов 7, 8 к корректирующему конденсатору 10. Первый - высокочастотный канал с ограничением выходного тока через транзистор 2. Второй канал более инерционный - от узла 8 через транзистор 17. Причем второй канал обеспечивает пропорциональность между выходным током входного каскада  и зарядным током  во время отсечки первого канала.
вх
Большой разрядный ток  во время отрицательного фронта еобеспечивает токовое зеркало 12, на вход 13 которого поступает коллекторный ток транзистора 14 , пропорциональный выходному току  входного каскада.
Транзисторы 15 и 16 выполняют две функции. С одной стороны, они устанавливают статистический режим по цепи базы транзисторов 2 и 3 схемы ОУ. С другой, они «выключают» транзисторы 2 и 3 во время переходного процесса, так как они не оказывают существенного влияния на процессы перезаряда емкости 10.
вых
Представленные на фиг.6 и фиг.7 результаты компьютерного моделирования известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) ОУ показывают, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ ϑ увеличивается в 8 раз при одновременном увеличении частоты единичного усиления в два раза.
Источники информации
1. Патент США №6.304.143
2. Патент США №5.418.491
3. Патент США №4.463.319
4. Патент США №6.717.474
5. Патент США №6.734.720
6. Патент США №4.723.111
7. Патент США №4.293.824
8. Патент США №5.323.121
9. Патент США №5.091.701
10. Патент США №4.406.990
11. Патент США №5.422.600
12. Патент США №6.788.143
13. Патент США №4.274.061
14. Патент США №5.327.100
15. Патент США №5.786.729
16. Патент США №3.644.838
17. Патент США №4.600.893
18. Патент США №4.390.850
19. Патент США №6.628.168
20. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
21. Патент США №6.218.900, фиг.1
22. Патентная заявка US 2002/0196079
23. Патент США Re 30.587
24. Патент ЕР 1.227.580
25. Патент США №6.714.076
26. Патентная заявка US 2004/0090268 А1
27. Патент США №4.959.622, фиг.1
28. Патент США №6.018.268
29. Патент США №5.952.882
30. Патент США №6.580.325
31. Патент США №6.965.266
32. Патент США №6.867.643
33. Патент США №6.236.270
34. Патент США №6.229.394
35. Патент США №5.734.296
36. Патент США №5.477.190
37. Патент США №6.084.475
38. Патент США №3.733.559
39. Патентная заявка US 2005/0001682 А1
40. Патент США №6.300.831
41. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей [Текст] / Н.Н. Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.
42. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979. - 148 с.