×
18.01.2019
219.016.b0e7

ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в различных аналоговых микросхемах. Технический результат заключается в расширении диапазона активной работы входного дифференциального каскада, повышении максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ в режиме большого сигнала. Входной каскад быстродействующего операционного усилителя содержит первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, база первого 11 дополнительного транзистора связана с первым 7 входом устройства, а эмиттер соединен с истоком второго 6 выходного полевого транзистора через первый 13 дополнительный резистор, база второго 12 дополнительного транзистора соединена со вторым (8) входом устройства, а эмиттер через второй 14 дополнительный резистор соединен с истоком первого 5 выходного полевого транзистора, затвор первого 5 выходного транзистора подключен к первому 7 входу устройства, затвор второго 6 выходного транзистора соединен со вторым 8 входом устройства, причем коллекторы первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов согласованы с первой 3 шиной источника питания. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в различных аналоговых микросхемах, например, операционных усилителях (ОУ), допускающих работу в условиях воздействия проникающей радиации и низких температур.

Быстродействие современных операционных усилителей с однополюсной частотной коррекцией в значительной степени определяется диапазоном активной работы его входного каскада [1-4], который измеряется напряжением ограничения его проходной характеристики (Uгр).

В низкотемпературной микроэлектронике, а также в задачах усиления сигналов высокоомных датчиков широко используются входные дифференциальные каскады (ДК) с каскодной архитектурой [5-10], реализуемой на полевых транзисторах с управляющим р-n переходом. В микрорежиме численные значения их напряжения ограничения Uгр не превышают несколько десятков милливольт [1-4], что оказывает отрицательное влияние на быстродействие соответствующих ОУ:

SR=2πf1⋅Uгр. (1)

где SR - максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ в режиме большого сигнала; f1⋅ - малосигнальная частота единичного усиления скорректированного разомкнутого ОУ.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является каскодный ДК по патенту США №4.121.169, fig. 5. Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, второй 5 и третий 6 выходные полевые транзисторы, истоки которых связаны с соответствующими стоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора связан с первым 7 входом устройства, затвор второго 2 входного полевого транзистора связан со вторым 8 входом устройства, сток первого 5 выходного полевого транзистора подключен к первому 9 токовому выходу устройства, сток второго 6 выходного полевого транзистора подключен ко второму 10 токовому выходу устройства.

Существенный недостаток известного усилителя состоит в том, что при работе его входных транзисторов в режиме микротоков напряжение ограничения его проходной характеристики (Uгр) не превышает несколько десятков милливольт. В конечном итоге это сказывается на численных значениях максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ (1).

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы входного дифференциального каскада, т.е. увеличение Uгр. Как следствие, это повысит максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ (1) на его основе.

Поставленная задача достигается тем, что во входном каскаде операционного усилителя фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, второй 5 и третий 6 выходные полевые транзисторы, истоки которых связаны с соответствующими стоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора связан с первым 7 входом устройства, затвор второго 2 входного полевого транзистора связан со вторым 8 входом устройства, сток первого 5 выходного полевого транзистора подключен к первому 9 токовому выходу устройства, сток второго 6 выходного полевого транзистора подключен ко второму 10 токовому выходу устройства.

Существенный недостаток известного усилителя состоит в том, что при работе его входных транзисторов в режиме микротоков напряжение ограничения его проходной характеристики (Uгр) не превышает несколько десятков милливольт. В конечном итоге это сказывается на численных значениях максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ (1).

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы входного дифференциального каскада, т.е. увеличение Uгр. Как следствие, это повысит максимальную скорость нарастания выходного напряжения ОУ (1) на его основе.

Поставленная задача достигается тем, что во входном каскаде операционного усилителя фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, второй 5 и третий 6 выходные полевые транзисторы, истоки которых связаны с соответствующими стоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора связан с первым 7 входом устройства, затвор второго 2 входного полевого транзистора связан со вторым 8 входом устройства, сток первого 5 выходного полевого транзистора подключен к первому 9 токовому выходу устройства, сток второго 6 выходного полевого транзистора подключен ко второму 10 токовому выходу устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, база первого 11 дополнительного транзистора связана с первым 7 входом устройства, а эмиттер соединен с истоком второго 6 выходного полевого транзистора через первый 13 дополнительный резистор, база второго 12 дополнительного транзистора соединена со вторым (8) входом устройства, а эмиттер через второй 14 дополнительный резистор соединен с истоком первого 5 выходного полевого транзистора, затвор первого 5 выходного транзистора подключен к первому 7 входу устройства, затвор второго 6 выходного транзистора соединен со вторым 8 входом устройства, причем коллекторы первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов согласованы с первой 3 шиной источника питания.

На чертеже фиг. 1 показана схема ДК-прототипа, 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 ДК фиг. 3 в среде PSpice на низкотемпературных моделях транзисторов базового матричного кристалла АБМК_2.1 (ОАО «Интеграл», г. Минск).

На чертеже фиг. 5 показан график зависимости выходных токов ДК фиг. 4 от входного напряжения при различных сопротивлениях первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов (R1=R2).

На чертеже фиг. 6 представлена схема включения заявляемого ДК в типовом быстродействующем ОУ.

На чертеже фиг. 7 приведена схема ОУ фиг. 6 в среде LTSpice на моделях АБМК 1.7 (ОАО «Интеграл», г. Минск).

На чертеже фиг. 8 показана зависимость максимальной скорости нарастания выходного напряжения ОУ фиг. 7 от статического тока I1 при различных сопротивлениях первого 13 и второго 14 дополнительных резисторов (R1=R2).

Входной каскад быстродействующего операционного усилителя фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых соединены с первой 3 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, второй 5 и третий 6 выходные полевые транзисторы, истоки которых связаны с соответствующими стоками первого 1 и второго 2 входных полевых транзисторов, причем затвор первого 1 входного полевого транзистора связан с первым 7 входом устройства, затвор второго 2 входного полевого транзистора связан со вторым 8 входом устройства, сток первого 5 выходного полевого транзистора подключен к первому 9 токовому выходу устройства, сток второго 6 выходного полевого транзистора подключен ко второму 10 токовому выходу устройства. В схему введен первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, база первого 11 дополнительного транзистора связана с первым 7 входом устройства, а эмиттер соединен с истоком второго 6 выходного полевого транзистора через первый 13 дополнительный резистор, база второго 12 дополнительного транзистора соединена со вторым (8) входом устройства, а эмиттер через второй 14 дополнительный резистор соединен с истоком первого 5 выходного полевого транзистора, затвор первого 5 выходного транзистора подключен к первому 7 входу устройства, затвор второго 6 выходного транзистора соединен со вторым 8 входом устройства, причем коллекторы первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов согласованы с первой 3 шиной источника питания.

В схеме фиг. 2 коллекторы первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов могут использоваться как дополнительные токовые выходы 15 и 16.

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, последовательно с первым 13 и вторым 14 дополнительными резисторами включены соответствующие первый 17 и второй 18 дополнительные прямосмещённые p-n переходы.

На чертеже фиг. 6, который характеризует применение заявляемого ДК в структуре быстродействующего ОУ, используется первое 19, второе 20 и третье 21 дополнительные токовые зеркала, а также буферный усилитель 22, выход которого 23 является выходом ОУ. Резистор 24 характеризует эквивалентное сопротивления во входной цепи буферного усилителя 22. Дополнительный корректирующий конденсатор 25 обеспечивает устойчивость ОУ. Первое 19 и второе 20 дополнительные токовые зеркала согласованы со второй 26 шиной источника питания.

Рассмотрим работу предлагаемого ДК фиг. 3.

В статическом режиме при нулевом дифференциальном напряжении между первым 7 и вторым 8 входами устройства ДК эмиттерные токи первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов близки к нулю. Это обеспечивается за счет применения первого 17 и второго 18 дополнительных прямосмещенных p-n переходов, а также за счет использования в качестве второго 5 и третьего 6 выходных полевых транзисторов нескольких параллельно включенных элементарных полевых транзисторов.

Если напряжение на первом 7 входе получает положительное приращение относительно второго 8 входа устройства, то это приводит к увеличению эмиттерного тока первого 11 дополнительного транзистора, тока истока второго 6 выходного полевого транзистора и, следовательно, выходного тока ДК по второму 10 токовому выходу.

(1)

При этом ограничение выходного тока ДК наступает только при больших входных дифференциальных сигналах, т.е. ДК фиг. 3 имеет большие значения Uгр=2÷3В, как следствие это повышает SR в соответствии с формулой (1).

Таким образом, дифференциальный каскад фиг. 4 работает в режиме класса «АВ» - его максимальный выходной ток существенно превышает выходной статический ток ДК при сопротивлении первого 13 дополнительного резистора R13=∞. В конечном итоге это способствует существенному повышению максимальной скорости нарастания выходного напряжения (фиг.8). Так анализ графиков фиг. 8 показывает, что при малых статических токах I1 выигрыш по SR, который дает предлагаемая схема ДК, превышает два порядка (в сравнении со случаем применения в ОУ фиг.7 ДК-прототипа).

Замечательная особенность предлагаемого ДК состоит в том, что в нем отсутствуют так называемая динамическая асимметрия токовых выходов [3], которая проявляется в неодинаковых значениях SR для положительного и отрицательного входного импульсного напряжения.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с ДК-прототипа.

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. 222с.

5. Патент США № 4.121.169 fig.5 (прототип)

6. Патент США № 5.648.743 fig.12-14

7. Патент SU № 1385255

8. Патент RU № 2.671.569

9. Патент RU № 2.070.768

10. Патент SU № 537435


ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ВХОДНОЙ КАСКАД БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 186.
13.01.2017
№217.015.8dc0

Способ штамповки деталей из металлов и сплавов и пресс для его осуществления

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано для выполнения технологических операций штамповки эластичным пуансоном при изготовлении несимметричных деталей сложной формы толщиной 0,01-0,3 мм. На заготовку воздействуют статической нагрузкой до получения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605011
Дата охранного документа: 20.12.2016
13.01.2017
№217.015.90ce

Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу

Изобретение относится измерительным информационным системам, в частности к системам для измерения емкости и сопротивления и может быть использовано для измерения неэлектрических величин резистивными и емкостными датчиками в беспроводных системах контроля и управления. Микроконтроллерный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603937
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.9131

Универсальный набор для строительства малоэтажных зданий и сооружений

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении малоэтажных зданий различных конструктивных систем. Цель изобретения - создание универсального набора элементов, который может использоваться во всех трех системах: брусчатой, стоечной и легкокаркасной, при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605654
Дата охранного документа: 27.12.2016
25.08.2017
№217.015.9a08

Способ создания гидроизоляции

Изобретение относится к строительству, а именно к созданию вертикальной и горизонтальной гидроизоляции фундаментов, стен, и может быть использовано при возведении новых, а также реконструкции (восстановлении) существующих зданий и сооружений. Способ создания гидроизоляции включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002609511
Дата охранного документа: 02.02.2017
25.08.2017
№217.015.9f09

Бетонная смесь

Изобретение относится к составам мелкозернистых бетонных смесей, в том числе песчаных, используемых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Технический результат - снижение расхода цемента и повышение трещиностойкости песчаного бетона после тепловлажностной обработки....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002606147
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.af78

Конструкция усиления железобетонной многопустотной плиты перекрытия

Изобретение относится к строительству, в частности, к конструкциям усиления железобетонных многопустотных плит перекрытия, доступ к которым сверху невозможен, например, плит перекрытия, используемых преимущественно в зданиях с совмещенной кровлей. Техническим результатом является увеличение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610951
Дата охранного документа: 17.02.2017
25.08.2017
№217.015.b31a

Устройство терминального управления на основе вариационных принципов

Устройство терминального управления на основе вариационных принципов содержит блок отношения, пять блоков сумматоров, четырнадцать блоков умножения, блок вычисления производной, блок линии задержки, вход эталонного сигнала, блок хранения констант, соединенных определенным образом....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613623
Дата охранного документа: 21.03.2017
25.08.2017
№217.015.b65e

Устройство объединения медицинских изображений

Изобретение относится к информационно-измерительным устройствам и может быть использовано в вычислительной технике, в системах управления и обработки сигналов. Техническим результатом является обеспечение объединенного изображения со сглаженными границами перехода. Устройство содержит: регистр...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614545
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b96a

Биполярно-полевой мультидифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению разомкнутого мультидифференциального операционного усилителя при сохранении высокой стабильности нулевого уровня. Для этого предложен биполярно-полевой мультидифференциальный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615071
Дата охранного документа: 03.04.2017
25.08.2017
№217.015.b973

Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615070
Дата охранного документа: 03.04.2017
Показаны записи 1-10 из 216.
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