×
11.10.2018
218.016.8ff1

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области радиотехники и аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в различных аналоговых и аналого-цифровых интерфейсах для обработки сигналов датчиков. Технический результат заключается в повышении максимальной скорости нарастания выходного напряжения и уменьшении времени установления переходного процесса в ОУ. Быстродействующий операционный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, источник питания, токостабилизирующий двухполюсник, первый корректирующий конденсатор, связанный с коллектором первого входного транзистора, токовое зеркало, согласованное со второй шиной источника питания, буферный усилитель. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области радиотехники и аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в различных аналоговых и аналого-цифровых интерфейсах для обработки сигналов датчиков.

В современной радиоэлектронной аппаратуре, приборостроении и измерительной технике находят применение быстродействующие операционные усилители (ОУ), которые определяют динамические параметры многих аналоговых интерфейсов, АЦП, драйверов линий связи и т.п.

Методам повышения максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ (SR) с различной архитектурой посвящено значительное количество патентов, монографий и статей, в т.ч. [1-4].

В современной микроэлектронике широкое распространение получили операционные усилители с двухкаскадной архитектурой, которая включает входной ДК, токовое зеркало и буферный усилитель [1-4]. Известны сотни патентов, использующих данное техническое решение, в т.ч. [5-20]. Предполагаемое изобретение относится к данному классу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является ОУ по патенту США № 5.512.859, fig.3. Он содержит (фиг. 1) первый 1 инвертирующий и второй 2 неинвертирующий входы устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первой 5 шине источника питания через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 3 входного транзистора соединена с первом 1 инвертирующим входом устройства, база второго 4 входного транзистора соединена со вторым 2 неинвертирующим входом устройства, первый 7 корректирующий конденсатор, связанный с коллектором первого 3 входного транзистора, токовое зеркало 8, согласованное со второй 9 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором второго 4 входного транзистора, а выход подключен к коллектору первого 3 входного транзистора, а также соединен со входом буферного усилителя 10, выход которого является выходом устройства 11.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что при его инвертирующем включении с резисторами общей отрицательной обратной связи он имеет невысокую скорость нарастания выходного напряжения в режиме большого сигнала SR. Это обусловлено малыми значениями токов перезаряда первого 7 корректирующего конденсатора ОУ, которые жестко связаны с током первого 6 токостабилизирующего двухполюсника. По многим причинам этот ток не может выбираться большим.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении SR без ухудшения энергетических параметров ОУ в статическом режиме.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 инвертирующий и второй 2 неинвертирующий входы устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первой 5 шине источника питания через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 3 входного транзистора соединена с первом 1 инвертирующим входом устройства, база второго 4 входного транзистора соединена со вторым 2 неинвертирующим входом устройства, первый 7 корректирующий конденсатор, связанный с коллектором первого 3 входного транзистора, токовое зеркало 8, согласованное со второй 9 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором второго 4 входного транзистора, а выход подключен к коллектору первого 3 входного транзистора, а также соединен со входом буферного усилителя 10, выход которого является выходом устройства 11, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введен первый 12 дополнительный транзистор, база которого соединена с первым 1 инвертирующим входом устройства, эмиттер первого 12 дополнительного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник и соединен со входом токового зеркала 8 через второй 14 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 12 дополнительного транзистора связан с первой 5 шиной источника питания, а между объединенными эмиттерами первого 3 и второго 4 входных транзисторов и общей шиной источников питания 15 включен (по переменному току) третий 16 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг. 1 показана схема прототипа ОУ, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 4 приведена схема заявляемого ОУ фиг. 2 в среде PSpice на компьютерных моделях комплементарных биполярных транзисторов АО «НПП» Пульсар». Источник напряжения V4 обеспечивает симметрирование статического режима транзисторов VT2 и VT4 по напряжению коллектор-база, что уменьшает напряжение смещения нуля.

На чертеже фиг. 5 представлены графики переходного процесса в ОУ фиг. 4 при значениях емкости первого 7 корректирующего конденсатора С1(С7)=2пФ, амплитуде входного инвертирующего сигнала Uвх(+)=2,5В, статических токах I1(I6)=500 мкА, I2(I13)=100 мкА, сопротивлении резисторов обратной связи R3=R4=1кОм и различных значениях емкостей второго 14 и третьего 16 корректирующих конденсаторов С2(С14)=С3(С16)=Сvar=0;2;5;10;18пФ.

На чертеже фиг. 6 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) разомкнутого ОУ фиг. 4 при емкости первого 7 корректирующего конденсатора С1(С7)=2пФ и различных значениях емкостей
второго 14 и третьего 16 корректирующих конденсаторов С2(С14)=С3(С16)=Сvar=0;2;5;10;18пФ.

Быстродействующий операционный усилитель фиг. 2 содержит первый 1 инвертирующий и второй 2 неинвертирующий входы устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первой 5 шине источника питания через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 3 входного транзистора соединена с первом 1 инвертирующим входом устройства, база второго 4 входного транзистора соединена со вторым 2 неинвертирующим входом устройства, первый 7 корректирующий конденсатор, связанный с коллектором первого 3 входного транзистора, токовое зеркало 8, согласованное со второй 9 шиной источника питания, вход которого связан с коллектором второго 4 входного транзистора, а выход подключен к коллектору первого 3 входного транзистора, а также соединен со входом буферного усилителя 10, выход которого является выходом устройства 11. В схему введен первый 12 дополнительный транзистор, база которого соединена с первым 1 инвертирующим входом устройства, эмиттер первого 12 дополнительного транзистора связан со второй 9 шиной источника питания через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник и соединен со входом токового зеркала 8 через второй 14 корректирующий конденсатор, причем коллектор первого 12 дополнительного транзистора связан с первой 5 шиной источника питания, а между объединенными эмиттерами первого 3 и второго 4 входных транзисторов и общей шиной источников питания 15 включен по переменному току третий 16 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, в схему введен второй 17 дополнительный транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 12 дополнительного транзистора, база соединена с базой второго 4 входного транзистора, а коллектор подключен к первой 5 шине источника питания. Данное схемотехническое решение позволяет обеспечить более высокую симметрию схемы ОУ по статическим токам первого 1 инвертирующего и второго 2 неинвертирующего входов устройства.

Рассмотрим работу предлагаемого быстродействующего ОУ фиг. 2 при его инвертирующем включении (фиг. 4).

Статический режим схемы фиг. 2 устанавливается источниками опорного тока I6 и I13. Первый 7 корректирующий конденсатор обеспечивает устойчивость ОУ при введении общей отрицательной обратной связи на его первый 1 инвертирующий вход.

Второй 14 и третий 16 корректирующие конденсаторы, из-за крайне малых постоянных времени, практически не влияют на работу ОУ в существенной полосе частот (до частоты единичного усиления f1). Об этом свидетельствует малосигнальная амплитудно-частотная характеристика разомкнутого ОУ, представленная на чертеже фиг. 6.

Если на первый 1 инвертирующий вход ОУ фиг. 2 поступает большой импульсный сигнал e1, то это создает дополнительные токи перезаряда первого 7 корректирующего конденсатора, пропорциональные производной от входного напряжения ОУ (), которое характеризует динамическую ошибку во время переходного процесса:

(1)

Если динамическая ошибка e1 мала, то и производная от близка к нулю. В результате скорость перезаряда первого 7 корректирующего конденсатора существенно увеличивается, что приводит к значительному увеличению SR ОУ (см. фиг. 5, табл. 1).

Таблица 1 – Взаимосвязь SR ОУ фиг. 4 и ёмкостей второго 14 и третьего 16 корректирующих конденсаторов С2(С14)=С3(С16)=Cvar, при I1(I6)=500 мкА, I2(I13)=100 мкА, С1(С7)=2пФ, Uвх(+)=2,5В, t=27°С

Ёмкости второго 14 и третьего 16 корректирующих конденсаторов С2(С14)=С3(С16)=Cvar (пФ) Передний фронт
SR., В/мкс
1 0 173
2 2 177
3 5 216
4 10 407
5 18 1769

Применение к качестве активных элементов схемы фиг. 2 базовых матричных кристаллов АБМК_1.3/1.7 [21] позволяет обеспечить работоспособность ОУ при низких температурах и условиях воздействия радиации.

Таким образом, в сравнении с ОУ-прототипом предлагаемое устройство обладает существенными преимуществами по динамическим параметрам в режиме большого сигнала. При этом, данный положительный эффект обеспечивается за счет введения двух, второго 14 и третьего 16 корректирующих конденсаторов, сравнительно небольшой емкости и не требует увлечения тока потребления ОУ в статическом режиме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. I.M. Filanovsky, V.V. Ivanov, “Operational Amplifier Speed and Accuracy Improvement: Analog Circuit Design with Structural Methodology,” Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, London, 2004, 194 p.

2. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов : монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.

3. Прокопенко, Н.Н. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. – Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. – 231 с.

4. Прокопенко Н.Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах (монография) // Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. 222 с.

5. Патент US 5.343.164

6. Патент US 6.822.505

7. Патент US 4.335.355

8. Патент US 4.912.425

9. Патент US 6.794.840, фиг.3

10. Патент US 7.167.052

11. Патент US 5.289.058

12. Патент US 6.822.505, фиг.4

13. Патент US 4.524.329, фиг.1-фиг.4

14. Заявка на патент US 2010/0085344

15. Заявка на патент EP 2007/054914

16. Заявка на патент W0 2007/135139

17. Патент US 4,464, 588

18. Патент US 7,646,247

19. Патент US 5,990,742, фиг.2

20. Патент US 6,774,722,фиг.2

21. O. V. Dvornikov, V. L. Dziatlau, N. N. Prokopenko, K. O. Petrosiants, N. V. Kozhukhov and V. A. Tchekhovski, "The accounting of the simultaneous exposure of the low temperatures and the penetrating radiation at the circuit simulation of the BiJFET analog interfaces of the sensors," 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Astana, 2017, pp. 1-6. DOI:  10.1109/SIBCON.2017.7998507.


БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЙ ЦЕПЬЮ КОРРЕКЦИИ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 51.
20.01.2018
№218.016.1059

Способ изготовления брикета для раскисления стали

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано при производстве различных марок стали для её раскисления как в процессе выплавки стали в ДСП, так и при её ковшевой обработке. Способ включает прессование вторичных алюминия и железа, при этом измельченные стружковые...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002633682
Дата охранного документа: 16.10.2017
20.01.2018
№218.016.1cef

Комплекс карьерного оборудования

Изобретение относится к техническим средствам, используемым на открытых горных работах при добыче скальных грунтов. Техническим результатом является повышение производительности комплекса карьерного оборудования за счет взрывонавалочной технологии с постоянным нахождением оборудования в забое....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002640622
Дата охранного документа: 10.01.2018
04.04.2018
№218.016.3009

Керамический аэратор

Изобретение относится к обработке природных и сточных вод воздухом. Керамический аэратор содержит цельнокерамический пустотелый корпус 1 со стенками из монофракций керамических порошков с центральным отверстием 2 и винтовой нарезкой 3 в корпусе 1, входной штуцер 4 и подводящий трубопровод 5...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002645141
Дата охранного документа: 15.02.2018
04.04.2018
№218.016.35ef

Керамическая масса для изготовления клинкерного кирпича.

Изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности к стеновому (строительному) и дорожному (мостовому) клинкерному кирпичу, получаемых на основе камнеподобного глинистого сырья – аргиллита и его разновидностей. Керамическая масса для изготовления клинкерного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646261
Дата охранного документа: 02.03.2018
04.04.2018
№218.016.3679

Устройство адаптивного регулирования на основе объединённого принципа максимума

Изобретение относится к области цифровых систем управления и может быть использовано для решения задач быстродействия в автоматизированных системах, например в радиотехнике, для фазовой автоподстройки частоты. Технический результат – увеличение быстродействия автоматизированных систем. Он...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646373
Дата охранного документа: 02.03.2018
10.05.2018
№218.016.4f02

Устройство определения распределения взвешенных частиц по массе

Изобретение относится к технике измерений, в частности к оптическим методам контроля, и может использоваться в электронной и химической промышленности, в медицине, биологии, экологии, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с определением параметров взвешенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002652662
Дата охранного документа: 28.04.2018
10.05.2018
№218.016.4f3a

Способ определения распределения взвешенных частиц по массе

Изобретение относится к технике измерений, в частности к оптическим методам контроля, и может использоваться в электронной и химической промышленности, в медицине, биологии, экологии, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с определением параметров взвешенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002652654
Дата охранного документа: 28.04.2018
09.06.2018
№218.016.5df0

Способ приготовления бетонной смеси

Изобретение относится к технологии приготовления с добавками суперпластификаторов бетонных смесей, используемых преимущественно при бетонировании монолитных бетонных и железобетонных конструкций. Технический результат – снижение расхода суперпластификатора и увеличение прочности бетона на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656298
Дата охранного документа: 04.06.2018
09.06.2018
№218.016.6003

Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой модуляции, используемой в цифровом телерадиовещании и в системах мобильной связи

Изобретение относится к области электроники, радиотехники и к системам мобильной связи. Технический результат – расширение функциональных возможностей в части исследования алгоритмов беспроводных информационных систем. Стенд микроконтроллерный для изучения и исследования алгоритмов цифровой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656974
Дата охранного документа: 07.06.2018
20.06.2018
№218.016.64fa

Винтовой конвейер с гибким рабочим органом

Винтовой конвейер содержит привод (1) и смонтированный в цилиндрическом желобе (2) гибкий винт (3), выполненный в виде двух коаксиально расположенных спирально изогнутых наружного стержня (4) и внутреннего стержня (5). Наружный стержень (4) выполнен в виде плоской пряди каната двойной правой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658217
Дата охранного документа: 19.06.2018
Показаны записи 1-10 из 224.
20.04.2014
№216.012.bb74

Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат заключается в расширении в несколько раз предельного частотного диапазона обрабатываемых входных сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513716
Дата охранного документа: 20.04.2014
10.05.2014
№216.012.c282

Быстродействующий драйвер дифференциальной линии связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515543
Дата охранного документа: 10.05.2014
27.05.2014
№216.012.cacc

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Техническим результатом является повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517682
Дата охранного документа: 27.05.2014
27.05.2014
№216.012.cadc

Широкополосный аттенюатор для быстродействующих аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов

Широкополосный аттенюатор для быстродействующих аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники и связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, в измерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых (АЦП)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517698
Дата охранного документа: 27.05.2014
10.06.2014
№216.012.cfea

Сверхбыстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат: расширение в несколько раз частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных напряжений от источников входных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518997
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d149

Управляемый усилитель и смеситель аналоговых сигналов на базе дифференциального каскада дарлингтона

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого с входов канала «X» зависит от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519348
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d190

Широкополосный повторитель напряжения

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот широкополосного повторителя напряжения при наличии емкости на выходе С, которая не может быть уменьшена по объективным причинам - является неотъемлемой частью цепи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519419
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d19a

Измерительный усилитель с управляемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в увеличении затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519429
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.07.2014
№216.012.dbc8

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов в устройствах различного функционального назначения, работающих на емкостную нагрузку. Достигаемый технический результат -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522042
Дата охранного документа: 10.07.2014
20.07.2014
№216.012.e026

Компенсационный стабилизатор напряжения

Устройство относится к области электротехники. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения и снижении минимальной разности напряжения вход-выход стабилизатора. Для этого предложен стабилизатор напряжения, содержащий первый и второй транзисторы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523168
Дата охранного документа: 20.07.2014
+ добавить свой РИД