Результат интеллектуальной деятельности: КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

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 комплементарных входных каскадов ОУ, выполненных в виде дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-п и р-п-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя цА741» [1-30]. На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом [29-31], стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Это связано с тем, что в таких ДУ минимизируется входная емкость из-за отсутствия эффекта Миллера. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя по патенту US 4.901.031, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому 5 и второму 6 входам устройства, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, первые 10, 11 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторые 12, 13 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, причем коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания, а первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 15 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет сравнительно узкий динамический диапазон (U_гр) линейного усиления дифференциальных сигналов (U_вx.max<U_гр≈100÷150 мВ). Как показано в монографии авторов настоящей заявки [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 (С_к) максимальная скорость нарастания выходного напряжения определяется формулой [31]

где f_cp - частота единичного усиления (частота среза) скорректированного ОУ;

U_гр - напряжение ограничения проходной характеристики i_выx=f(u_вх) входного каскада (для классических ДУ U_гр=50÷100 мВ).

Из (1) следует, что повышение υ_вых можно осуществить двумя качественно разными путями [31]:

1. Увеличением диапазона активной работы входного ДУ (U_гр) без изменения крутизны преобразования входного напряжения в выходные токи ДУ;

2. Повышением f_cp за счет улучшения частотных свойств транзисторов, что связано, прежде всего, с использованием более высокочастотных и дорогостоящих техпроцессов (SG25VD, SG25H1, SG25RH и др.).

Заявляемый входной каскад ОУ решает задачу повышения быстродействия за счет увеличения (без изменения крутизны) более чем на порядок диапазона линейной работы входного каскада, измеряемого напряжением ограничения U_гр=1÷2 В.

Таким образом, основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала - получении граничных напряжений его проходной характеристики i_вых=f(u_вх) на уровне U_гр=1÷2 В.

Поставленная задача достигается тем, что в комплементарном входном каскаде операционного усилителя, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому 5 и второму 6 входам устройства, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, первые 10, 11 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторые 12, 13 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, причем коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания, а первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 15 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттером второго 8 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, между эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, база второго 8 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером второго 2 входного транзистора, эмиттер первого 1 входного транзистора связан с эмиттером первого 3 выходного транзистора через первый 17 дополнительный резистор, эмиттер второго 2 входного транзистора связан с эмиттером второго 4 выходного транзистора через второй 18 дополнительный резистор, а между эмиттерами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов включены два последовательно соединенных третий 19 и четвертый 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 3 и второго 4 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 приведена возможная архитектура быстродействующего операционного усилителя с предлагаемым входным каскадом.

На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.5 приведена зависимость разности выходных токов (I(out1)-I(out2)) и (I(out3)-I(out4)) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u_вх.

На чертеже фиг.6 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u_вх. Аналогичная зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u_вх представлена на чертеже фиг.7. Из данных графиков следует, что максимальное значение выходных токов ДУ-прототипа не превышает величины I₁=2 МA, что характерно для каскадов класса «А».

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 разностей выходных токов (I(out1)-I(out2)) и (I(out3)-I(out4)) от входного напряжения U_вх ДУ фиг.8 при различных значениях сопротивлений дополнительных резисторов 19, 20 (R_var).

На чертеже фиг.13 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=200 Ом, а на чертеже фиг.14 - зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=200 Ом.

На чертеже фиг.15 показана зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=1 кОм, а на чертеже фиг.16 аналогичная зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=1 кОм в увеличенном масштабе.

На чертеже фиг.17 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ от входного напряжения u_вх при R_var=1 кОм, а на чертеже фиг.18 эта же зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ от входного напряжения u_вх при R_var=1 кОм в увеличенном масштабе.

Графики фиг.19 и фиг.20 характеризуют зависимость от u_вх абсолютных значений выходных токов I(out3) и I(out4) при R_var=1 кОм в мелком (фиг.19) и укрупненном (фиг.20) масштабах.

Комплементарный входной каскад (ДУ) быстродействующего операционного усилителя фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому 5 и второму 6 входам устройства, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, первые 10, 11 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторые 12, 13 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, причем коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания, а первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 15 шиной источника питания. Между эмиттером второго 8 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, между эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, база второго 8 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером второго 2 входного транзистора, эмиттер первого 1 входного транзистора связан с эмиттером первого 3 выходного транзистора через первый 17 дополнительный резистор, эмиттер второго 2 входного транзистора связан с эмиттером второго 4 выходного транзистора через второй 18 дополнительный резистор, а между эмиттерами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов включены два последовательно соединенных третий 19 и четвертый 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 3 и второго 4 выходных транзисторов.

На чертеже фиг.3 заявляемый входной каскад фиг.2 (21) включен в классическую структуру быстродействующего ОУ с высокоимпедансным узлом 22, которая содержит дополнительные токовые зеркала 23, 24, выходной буфер 25 и корректирующий конденсатор (С_к) 26. При этом ОУ охвачен 100% отрицательной обратной связью.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.

В связи с тем что падение напряжения на резисторах 19, 20, создаваемое токами базы транзисторов 3 и 4, мало, статические токи всех транзисторов схемы определяются токами токостабилизирущих двухполюсников 16 и 9. При этом для достаточно низкоомных резисторов 17, 18 (R=10-15 Ом) за счет увеличения площадей эмиттерных переходов транзисторов 3, 4 можно при нулевом входном напряжении ДУ обеспечить равенство всех эмиттерных токов схемы:

где I₀=I₉=I₁₆ - некоторый опорный ток, например 1 мА.

Если напряжение на первом 5 входе (Вх.1) ДУ становится больше напряжения на втором 6 входе ДУ, то коллекторные токи транзисторов 1 и 3 увеличиваются, а транзисторов 2 и 4 уменьшаются. При этом входное дифференциальное напряжение u_вх «выделяется» на резисторах 19 и 20, что приводит к увеличению «открывающего» напряжения между базой транзистора 1 и базой транзистора 3:

Таким образом коллекторные (выходные) токи транзисторов 1 и 3 будут пропорциональны входному напряжению u_вх в широком диапазоне его изменения:

где r_э1, r_э3 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1 и 3;

R₁₉=R₂₀ - сопротивления резисторов 19 и 20;

β₃ - коэффициент усиления по току базы транзистора 3;

R₀≈R₁₇=R₁₈ - эквивалентное сопротивление, состоящее из объемного низкоомного эмиттерного резистора транзистора 3 (4) и дополнительного резистора 17 (R₁₇=10÷15 Ом).

Учитывая, что при увеличении I_э1 сопротивления r_э1 и r_э3 существенно уменьшаются, из (3) можно найти, что при больших u_вх>>25 мВ

где - крутизна ДУ.

Уравнение (4) справедливо для входных напряжений не более чем:

После этого под действием u_вх происходит ограничение выходных токов ДУ.

Таким образом, диапазон активной работы ДУ фиг.2 определяется произведением I₀R₁₉ (5) и может выбираться в соответствии с требуемыми значениями к u_вых операционного усилителя (1). Данные выводы подтверждаются графиками фиг.9-фиг.20, из которых следует, что диапазон активной работы заявляемого ДУ (U_гр) увеличивается на порядок в сравнении с U_гр ДУ-прототипа.

Таким образом, проходная характеристика i_вых=f(u_вх) заявляемого ДУ «продлевается» в область больших токов (фиг.9-фиг.20), значительно превышающих статические токи транзисторов ДУ и общий потребляемый ДУ ток в статическом режиме. Это характерно для транзисторных каскадов класса «АВ».

При отрицательном u_вх ДУ фиг.2 работает аналогично.

Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.8, представленные на графиках фиг.9-фиг.20, подтверждают полученные выше теоретические выводы.

Таким образом, предлагаемый ДУ имеет более чем на порядок лучшее напряжение ограничения 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

11. Патент ЧССР №134845, кл. 21а² 18/08

12. Патент ЧССР №134849, кл. 21а² 18/08

13. Патент ЧССР №135326, кл. 21а² 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.