БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА Российский патент 2010 года по МПК H03F3/45 

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.

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_вых). Так, при частоте единичного усиления f_ср=30 МГц и «идеальном» входном каскаде (1), обладающим линейным диапазоном активной работы во всем диапазоне изменения входного напряжения, максимальная скорость нарастания ϑ_вых 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.

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=R₁=R₂=R₃=R₄) 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.

В статистическом режиме токи I₅=I₆ через резисторы 5 и 6 связаны с выходными токами входного каскада (1) и эмиттерными токами I_э2=I_э3 выходных транзисторов 2 и 3 следующими уравнениями Кирхгофа:

где I₇=I₈ - выходные статистические токи входного каскада (1);

U_эб≈0,7В - напряжение эмиттер - база транзисторов 14, 15, 16, 17.

Эмиттерные токи транзисторов 14÷17 определяются током двухполюсника 18:

Входной I₁₃ и выходной I₁₁ токи токового зеркала (12) удовлетворяют условию:

где К_i12.12≈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.

Если на неинвертирующий вход Вх.2⁽⁺⁾ подается большой импульсный сигнал е_вх с амплитудой, близкой к напряжению питания, то это приводит к увеличению на i₈ ⁽⁺⁾ выходного тока I₈ и уменьшению на i₇ ⁽⁺⁾тока I₇ входного каскада (1)

где S_эф - эффективная крутизна проходной характеристики входного каскада (1) на большом сигнале.

Для получения предельных величин максимальной скорости нарастания выходного напряжения ϑ_вых эффективная крутизна для большого сигнала S_эф 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.

Действительно, классический «перегнутый» каскод, фиг.1, не обеспечивает во время переходного процесса большие токи перезаряда корректирующего конденсатора пропорциональные выходным токам входного каскада: I₇±i₇, I₈±i₈. 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.

Большой разрядный ток во время отрицательного фронта е_вх обеспечивает 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.

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_вых 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.

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). Технический результат: повышение максимальной скорости нарастания выходного напряжения. 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 (Т), базы которых объединены, а эмиттеры соединены с шиной источника питания (ИП) (4) через первый (5) и второй (6) низкоомные резисторы и подключены к выходам (7) и (8) входного каскада (1), выходной буферный каскад (9), вход которого соединен с корректирующим конденсатором (10), выходом (11) токового зеркала (ТЗ) (12) и коллектором Т (3), причем вход (13) ТЗ (12) подключен к коллектору Т (2). В схему введены первый (14) и второй (15) дополнительные Т, базы которых соединены с эмиттером Т (2), третий (16) и четвертый (17) дополнительные Т, базы которых соединены с эмиттером Т (3), причем коллекторы Т (15) и Т (16) соединены с базами Т (2) и Т (3) и подключены к дополнительному двухполюснику I₁₈, коллектор Т (14) соединен с коллектором Т (3), коллектор Т (17) соединен с выходом (11) ТЗ (12), а эмиттеры всех дополнительных Т (14, 15, 16, 17) связаны с шиной ИП (4). 7 ил.

Быстродействующий операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода, 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 (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, отличающийся тем, что 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 (I₁₈), 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).