ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления ВЧ- и СВЧ-сигналов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение каскадные операционные усилители (ОУ) с классической, а также с так называемой «перегнутой» архитектурой [1-19]. Их основное достоинство - широкий частотный диапазон, который, однако, ограничивается паразитными емкостями применяемых транзисторов, образующих с выходными сопротивлениями высокоимпедансных узлов достаточно низкочастотную постоянную времени.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является операционный усилитель по заявке на патент US 2007/0069815. Он содержит (фиг. 1) первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора и через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 9 шине источника питания, цепь нагрузки 13, согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый 14 выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки 13 и коллектором первого 7 выходного транзистора, второй 15 выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки 13 и коллектором второго 11 выходного транзистора.

Существенный недостаток известного ОУ состоит в том, что его верхняя граничная частота коэффициента усиления по напряжению существенно зависит от емкостей коллектор-база (затвор-исток) выходных транзисторов, которые образуют вместе с эквивалентным выходным сопротивлением цепи нагрузки достаточно «низкочастотную» постоянную времени (τ_в=1/2πf_в).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении частотного диапазона ОУ - повышении его верхней граничной частоты коэффициента усиления по напряжению f_в без увеличения тока, потребляемого схемой в статическом режиме.

Поставленная задача достигается тем, что в операционном усилителе (фиг. 1), содержащем первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора и через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 9 шине источника питания, цепь нагрузки 13, согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый 14 выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки 13 и коллектором первого 7 выходного транзистора, второй 15 выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки 13 и коллектором второго 11 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 7 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а база второго 11 выходного транзистора – с эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора.

На фиг. 1 показана схема ОУ-прототипа, а на фиг. 2 - схема заявляемого устройства при его реализации на биполярных транзисторах в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства (фиг. 2) для случая, когда в качестве транзисторов используются КМОП полевые транзисторы.

На фиг. 4 представлена схема заявляемого устройства (фиг. 2) в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 5 приведена схема ОУ-прототипа (фиг. 1) в среде компьютерного моделирования PSpice на радиационно-зависимых моделях интегральных транзисторов АБМК13 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 6 представлены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых ОУ на биполярных транзисторах (фиг. 4, фиг. 5).

На фиг. 7 показаны результаты моделирования амплитудно-частотных характеристик ОУ-прототипа и ОУ (фиг. 3) при их реализации на полевых КМОП транзисторах.

Широкополосный дифференциальный операционный усилитель (фиг. 2) содержит первый 1 входной дифференциальный каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером первого 7 выходного транзистора и через первый 8 токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй 9 шиной источника питания, второй 10 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения 6, а коллектор соединен с эмиттером второго 11 выходного транзистора и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй 9 шине источника питания, цепь нагрузки 13, согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый 14 выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки 13 и коллектором первого 7 выходного транзистора, второй 15 выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки 13 и коллектором второго 11 выходного транзистора. База первого 7 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а база второго 11 выходного транзистора подключена к эмиттеру второго 10 вспомогательного транзистора.

На фиг. 2 в качестве цепи нагрузки 13 используются (в частном случае) вспомогательные резисторы 16 и 17.

Рассмотрим работу схемы фиг. 2 на высоких частотах с учетом влияния на ее амплитудно-частотную характеристику емкостей коллектор-база С_к7, С_к11 первого 7 и второго 11 выходных транзисторов.

Комплекс выходного сопротивления для первого 14 выхода ОУ (фиг. 2), определяющего амплитудно-частотную характеристику ОУ, находится в соответствии с классическим уравнением

где - комплекс тока через конденсатор С_к7;

- комплекс тока коллектора первого 7 выходного транзистора;

- комплекс тока через первый 16 вспомогательный резистор цепи нагрузки 13;

α₅≈α₇≈0,99 - коэффициенты передачи по току эмиттера первого 5 вспомогательного и первого 7 выходного транзисторов.

После преобразования уравнений (1) и (2) можно найти, что в общем случае для ОУ фиг. 1 и ОУ фиг. 2

где τ_в=R₁₆C_к7 - постоянная времени выходной цепи ОУ-прототипа.

Из уравнения (3) следует, что в ОУ-прототипе фиг. 1 (при α₅=α₇=0) выходное сопротивление зависит от частоты в соответствии со следующей формулой

В заявляемом ОУ фиг. 2 выходное сопротивление характеризуется более высокочастотной постоянной времени

где

Как следствие, верхняя граничная частота коэффициента усиления по напряжению в предлагаемой схеме ОУ повышается в сравнении с ОУ-прототипом в N_f-раз

Данный вывод подтверждается результатами эксперимента (фиг. 6, фиг. 7).

Таким образом, заявляемый операционный усилитель имеет существенное преимущество в сравнении с ОУ-прототипом по верхней граничной частоте.

Источники информации

1. Патент США №5.091.701, фиг. 1.

2. Патент США №6.448.853, фиг. 6.

3. Патент США №6.529.076.

4. Патент США №5.327.100, фиг. 2.

5. Патентная заявка США 2002/0196079, фиг. 1.

6. Патент США №5.734.296, фиг. 3.

7. Патентная заявка США 2003/0090321, фиг. 8.

8. Патент США №6.710.654.

9. Патент США №6.483.382, фиг. 2.

10. Патентная заявка США 2006/0202762.

11. Патент США №5.140.280, фиг. 1.

12. Патент США №4.600.893, фиг. 7.

13. Патент США №6.788.143.

14. Патент США №6.734.720, фиг. 1.

15. Патентная заявка США 2008/0186091, фиг. 4.

16. Патентная заявка США 2007/0069815.

17. Патент США №6.304.143, фиг. 3.

18. Патент Англии GB 2035003.

19. Патент RU 2411642.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты коэффициента усиления по напряжению без увеличения тока потребления. Усилитель содержит: первый входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой шиной источника питания, первый вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения, а коллектор соединен с эмиттером первого выходного транзистора и через первый токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания, второй вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения, а коллектор соединен с эмиттером второго выходного транзистора и через второй токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй шине источника питания, цепь нагрузки, первый выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки и коллектором первого выходного транзистора, второй выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки и коллектором второго выходного транзистора, а база первого выходного транзистора соединена с эмиттером первого вспомогательного транзистора, база второго выходного транзистора подключена к эмиттеру второго вспомогательного транзистора. 7 ил.

Широкополосный дифференциальный операционный усилитель, содержащий первый (1) входной дифференциальный каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой (4) шиной источника питания, первый (5) вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения (6), а коллектор соединен с эмиттером первого (7) выходного транзистора и через первый (8) токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй (9) шиной источника питания, второй (10) вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения (6), а коллектор соединен с эмиттером второго (11) выходного транзистора и через второй (12) токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй (9) шине источника питания, цепь нагрузки (13), согласованную с первой 4 шиной источника питания, первый (14) выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки (13) и коллектором первого (7) выходного транзистора, второй (15) выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки (13) и коллектором второго (11) выходного транзистора, отличающийся тем, что база первого (7) выходного транзистора соединена с эмиттером первого (5) вспомогательного транзистора, а база второго (11) выходного транзистора подключена к эмиттеру второго (10) вспомогательного транзистора.