ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных и импульсных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения.

Практически все широкополосные и быстродействующие операционные усилители ведущих микроэлектронных фирм (Texas Instruments: патенты США № 6710655, 6710654, 6492870, 6542032, 6249187, Analog Devices: патенты США № 5150074, 6262633, Maxim: патенты США № 6188281, 6429744, National Semiconductor: патенты США № 5512859, 5399991, 5510754) выполняются на основе архитектуры фиг.1 [1-23]. Заявляемый ОУ относится к данному типу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель THS 4303 (фиг.1), описанный в патенте фирмы Maxim Integrated Products №6.489.848 (фиг.1, 2), содержащий первый 1 и второй 2 входные двухтактные эмиттерные повторители сигналов, имеющие потенциальные низкоомные выходы 3 и 4, между которыми включен низкоомный резистор 5, первые 6 и 7 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания 8, вторые противофазные токовые выходы 9 и 10, согласованные с шиной отрицательного источника питания 11, а также выходной сумматор сигналов 12 от первых 6 и 7 и вторых 9 и 10 противофазных токовых выходов входных двухтактных эмиттерных повторителей сигналов 1 и 2.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что при увеличении (уменьшении) коэффициента передачи данного ОУ путем изменения глубины обратной связи существенно изменяется верхняя граничная частота (полоса пропускания по уровню - 3 дБ). Кроме этого известный ОУ имеет только один выход, т.е. не является мультивыходным устройством.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в обеспечении инвариантности (независимости) полосы пропускания замкнутого ОУ при изменении его коэффициента передачи. Дополнительная цель - создание условий для реализации в ОУ трех низкоомных выходов, коэффициенты передачи к которым от трех различных входов могут регулироваться достаточно независимо друг от друга.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ОУ, содержащем первый 1 и второй 2 входные двухтактные эмиттерные повторители сигналов, имеющие потенциальные низкоомные выходы 3 и 4, между которыми включен низкоомный резистор 5, первые 6 и 7 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания 8, вторые противофазные токовые выходы 9 и 10, согласованные с шиной отрицательного источника питания 11, а также выходной сумматор сигналов 12 от первых 6 и 7 и вторых 9 и 10 противофазных токовых выходов входных двухтактных эмиттерных повторителей сигналов 1 и 2, вводятся новые элементы и связи - между потенциальным выходом 3 первого 1 входного двухтактного повторителя сигнала и общей шиной включен вспомогательный резистор 20.

На фиг.1 показана обобщенная схемы ОУ-прототипа. На фиг.2 представлены схемы двухтактных эмиттерных повторителей сигналов 1 и 2, по которым выполнен входной каскад ОУ-прототипа. На фиг.3 показан ОУ-прототип с конкретным выполнением сумматора сигналов 12 на основе повторителей тока (токовых зеркал) ПТ1, ПТ2 и буферного усилителя БУ.

Обобщенная схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.4. На фиг.5 показана схема усилителя фиг.4, соответствующая п.2 и п.3 формулы изобретения. На фиг.6 показан частный вариант построения ОУ фиг.3 в соответствии с п.4-п.5 формулы изобретения. На фиг.7 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п.7 формулы изобретения. На чертеже фиг.8 показана обобщенная схема ОУ фиг.4-фиг.7, на которой показаны все возможные входы и выходы заявляемого ОУ при введении обратной связи.

На фиг.9 показана схема заявляемого ОУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП «Пульсар», которая исследовалась авторами как макромодель фиг.10.

Результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотных характеристик ОУ фиг.9 при различных отношениях сопротивлений резисторов 5 и 20, а также 22 и 23 показаны на фиг.11 - 16.

На фиг.11 показаны АЧХ коэффициента усиления K_п11=u_н1/u_вх.1 ОУ фиг.9 при различных значениях сопротивления резистора R₂₀ (фиг.5) и при 100% обратной связи (R₂₂/R₂₃=0).

Амплитудно-частотные характеристики ОУ фиг.9 при тех же значениях R₂₀, но при R₂₂/R₂₃=1 (т.e. 50% обратной связи), показаны на фиг.12.

На фиг.13 приведена АЧХ коэффициента усиления ОУ фиг.9 K_п13=u_н3/u_вх.1 (в схеме фиг.8) при различных сопротивлениях резистора R₂₀=200÷20 Ом и R₅=R_m=200 Ом=const.

Графики, показывающие взаимосвязь коэффициентов передачи к различным выходам для схемы фиг.9 при ее включении, соответствующем фиг.8 и при 100% обратной связи (R₂₂/R₂₃=0), а также при R₅/R₁₀=1, приведены на фиг.14-16, где обозначено:

- коэффициент передачи напряжения от узла 18 к узлу 13;

- коэффициент передачи от узла 18 к узлу 4;

- коэффициент передачи от узла 18 к узлу 3.

При компьютерном моделировании ОУ величина корректирующей емкости не изменялась.

Широкополосный операционный усилитель (фиг.4) содержит первый 1 и второй 2 входные двухтактные эмиттерные повторители сигналов, имеющие низкоомные потенциальные выходы 3 и 4, между которыми включен низкоомный резистор 5, первые 6 и 7 противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания 8, вторые противофазные токовые выходы 9 и 10, согласованные с шиной отрицательного источника питания 11, а также в общем случае четырехвходовой выходной сумматор сигналов 12 от первых 6 и 7 и вторых 9 и 10 противофазных токовых выходов, принадлежащих входным двухтактным эмиттерным повторителям сигналов 1 и 2. Между потенциальным выходом 3 первого 1 входного двухтактного эмиттерного повторителя сигнала и общей шиной включен вспомогательный резистор 20.

В устройстве фиг.5 выход 13 выходного сумматора сигналов 12 связан с инвертирующим входом 19 второго двухтактного эмиттерного повторителя сигналов 2 через четырехполюсник отрицательной обратной связи 21, а входной сигнал широкополосного операционного усилителя подается на неинвертирующий вход 18 первого двухтактного эмиттерного повторителя сигнала 1. В частном случае четырехполюсник отрицательной обратной связи 21 выполнен в виде резистивного делителя выходного напряжения на первом 22 и втором 23 дополнительных резисторах, общий узел которых соединен с инвертирующим входом 19 второго 2 двухтактного эмиттерного повторителя сигналов.

В усилителе фиг.6 входной сигнал широкополосного операционного усилителя подается между общей шиной и вспомогательным резистором 20, а выход 13 выходного сумматора сигналов 12 связан с инвертирующим входом 19 второго двухтактного эмиттерного повторителя сигналов 2 через четырехполюсник отрицательной обратной связи 21, причем неинвертирующий вход 18 первого входного двухтактного повторителя сигналов 1 связан с общей шиной. Кроме этого, сумматор выходных сигналов 12 содержит, в частном случае, первое 24 и второе 25 токовые зеркала, входы которых являются первым 14 и вторым 15 входами выходного сумматора сигналов 12 и соединены с первым выходом 6 первого входного двухтактного эмиттерного повторителя сигналов, согласованным с шиной положительного источника питания 8, и вторым выходом 9 первого входного двухтактного эмиттерного повторителя сигналов 1, согласованным с шиной отрицательного источника питания 11, а выходы 26 первого 24 и второго 25 токовых зеркал связаны друг с другом и корректирующим конденсатором 27 и через буферный усилитель 28 соединены с выходом 13 выходного сумматора сигналов 12.

В операционном усилителе фиг.7 входной сигнал подается между общей шиной и вторым 23 дополнительным резистором четырехполюсника отрицательной обратной связи 21.

Обобщенная схема фиг.8 показывает все возможные варианты введения и съема сигналов в заявляемом устройстве.

Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере анализа схемы фиг.8.

Если напряжение сигнала u_вх.1 подается на неинвертирующий вход 18, то выходные напряжения в узлах «Вых.3», «Вых.2», «Вых.Σ1» при большом петлевом усилении (Т>>1) определяются следующими соотношениями

где

Из последних формул следует, что коэффициенты передачи K_п12 и К_п11 могут изменяться достаточно независимо в широких пределах, причем их отношение

Например, если выбрать R₅=R₂₀ и R₂₂=R₂₃, то на низких частотах численные значения коэффициентов передачи К_п11=4, К_п12=2, К_п13=1, K_п11/K_п13=4, K_п11/K_п12=2.

Следует заметить, что при Т>>1 выходные сопротивления относительно всех выходных узлов заявляемого ОУ достаточно малы.

На высоких частотах комплексный коэффициент передачи со входа 18 к выходу 4 не зависит от сопротивления резистора 20:

Таким образом, изменение K_п12 и K_п11 путем изменения R₂₀ не будут приводить к изменению полосы пропускания (фиг.11, фиг.12)

Данное свойство ОУ сохраняется и относительно выхода Вых.Σ1. Приведенные на фиг.11, 12 результаты компьютерного моделирования подтверждают, что при изменении коэффициентов передачи K_п11 более чем в 10 раз, верхняя граничная частота ω_в ⁽⁺⁾ остается практически постоянной.

Если входной сигнал подается на инвертирующий вход Вх.^(-) ₂, то при большом петлевом усилении (Т>>1) выходные напряжения ОУ

где

В том случае, когда сигнал подается на инвертирующий вход Вх.^(-) ₃

где

Таким образом, заявляемый ОУ в схеме с обратной связью имеет три низкоомных выхода и три входа, что значительно расширяет его функциональные возможности при работе в структуре аналоговых интерфейсов, а также характеризуется инвариантностью полосы пропускания при изменении коэффициентов передачи (при R₂₂/R₂₃=const).

Представленные на фиг.12 - 16 графики относительных амплитудно-частотных характеристик для разных выходов ОУ фиг.8 иллюстрируют преимущества заявляемого устройства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2002/0180526 А1 (фиг.6).

2. Патентная заявка US 2003/0090321 (фиг.5).

3. Патентная заявка US 2004/0212430 A1 (фиг.2).

4. Патентная заявка US 2005/0128000 A1.

5. Патентная заявка US 2005/0024149.

6. Патент WO 00/19604.

7. Патент США № 5.399.991.

8. Патент США № 6.542.032.

9. Патент США № 6.294.958.

10. Патент США № 6.489.848.

11. Патент США № 6.163.216.

12. Патент США № 5.510.754.

13. Патент США № 6.278.326.

14. Патент США № 6.262.633.

15. Патент США № 6.552.613 (фиг.2).

16. Патент США № 6.492.870.

17. Патент США № 6.429.744 (фиг.11).

18. Патент США № 6.181.204 (фиг.2).

19. Патент США № 6.188.281.

20. Патент США № 5.512.859.

21. Патент США № 6.710.654.

22. Патент США № 6.710.655.

23. Патент США № 5.150.074.

Изобретение относится к радиотехнике и связи. Технический результат заключается в независимости полосы пропускания при изменении коэффициента передачи. Широкополосный дифференциальный операционный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные двухтактные эмиттерные повторители сигналов, имеющие потенциальные низкоомные выходы (3) и (4), между которыми включен низкоомный резистор (5), первые (6) и (7) противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания (8), вторые противофазные токовые выходы (9) и (10), согласованные с шиной отрицательного источника питания (11), а также выходной сумматор сигналов (12) от первых (6) и (7) и вторых (9) и (10) противофазных токовых выходов входных двухтактных эмиттерных повторителей сигналов (1) и (2). Между потенциальным выходом (3) первого (1) входного двухтактного эмиттерного повторителя сигнала и общей шиной включен вспомогательный резистор (20). 5 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Широкополосный дифференциальный операционный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные двухтактные эмиттерные повторители сигналов, имеющие потенциальные низкоомные выходы (3) и (4), между которыми включен низкоомный резистор (5), первые (6) и (7) противофазные токовые выходы, согласованные с шиной положительного источника питания (8), вторые противофазные токовые выходы (9) и (10), согласованные с шиной отрицательного источника питания (11), а также выходной сумматор сигналов (12) от первых (6) и (7) и вторых (9) и (10) противофазных токовых выходов входных двухтактных эмиттерных повторителей сигналов (1) и (2), отличающийся тем, что между потенциальным выходом (3) первого (1) входного двухтактного эмиттерного повторителя сигнала и общей шиной включен вспомогательный резистор (20).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход (13) выходного сумматора сигналов (12) связан с инвертирующим входом (19) второго двухтактного эмиттерного повторителя сигналов (2) через четырехполюсник отрицательной обратной связи (21), а входной сигнал широкополосного операционного усилителя подается на неинвертирующий вход (18) первого двухтактного эмиттерного повторителя сигнала (1).3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что четырехполюсник отрицательной обратной связи (21) выполнен в виде резистивного делителя выходного напряжения на первом (22) и втором (23) дополнительных резисторах, общий узел которых соединен с инвертирующим входом (19) второго двухтактного эмиттерного повторителя сигналов (2).4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной сигнал широкополосного операционного усилителя подается между общей шиной и вспомогательным резистором (20), а выход (13) выходного сумматора сигналов (12) связан с инвертирующим входом (19) второго двухтактного эмиттерного повторителя сигналов (2) через четырехполюсник отрицательной обратной связи (21), причем неинвертирующий вход (18) первого входного двухтактного повторителя сигналов (1) связан с общей шиной.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сумматор выходных сигналов (12) содержит первое (24) и второе (25) токовые зеркала, входы которых являются первым (14) и вторым (15) входами выходного сумматора сигналов (12) и соединены с первым выходом (6) первого входного двухтактного эмиттерного повторителя сигналов, согласованным с шиной положительного источника питания (8), и вторым выходом (9) первого входного двухтактного эмиттерного повторителя сигналов (1), согласованным с шиной отрицательного источника питания (11), а выходы (26) первого (24) и второго (25) токовых зеркал связаны друг с другом и корректирующим конденсатором (27) и через буферный усилитель (28) соединены с выходом (13) выходного сумматора сигналов (12).6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной сигнал широкополосного операционного усилителя подается между общей шиной и вторым (23) дополнительным резистором четырехполюсника отрицательной обратной связи (21).