ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ТОКОВОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Российский патент 2019 года по МПК H03F3/26 

Изобретение относится к электронным устройствам, в частности к усилителям, и может применяться для построения интегральных схем.

Известное техническое решение [Filanovsky, I.M. A New Method of Frequency Compensation for Bipolar Wilson Current Mirror // IEEE Trans. On Circuits and Systems - 2: Analog and Digital Signal Processing, vol. 46, NO. 5, May 1999], в котором авторы описывают схему частотной компенсации (частотно-фазовой коррекции) отражателя тока Вильсона, который может быть использован для исключения нежелательного выброса на частотной характеристике операционного усилителя, по варианту Fig. 4. (b), включив между транзистором Q2 и Q3 резистор R, причем база транзистора Q2 соединена с эмиттером Q3, а эмиттер транзистора Q2 через второй резистор R соединен с эмиттером транзистора Q₁ и землей, а также включением транзистора Q4, эмиттер которого подключен к базе транзистора Q3 и к одному из концов источника тока I_in, второй конец которого подключен к положительному источнику питания V_cc, его коллектор соединен с коллектором транзистора Q1, а база с базой транзистора Q1. Во втором варианте Fig.4. (с) используется цепь частотно-фазовой коррекции, образованной конденсатором С, соединенным с базами транзисторов Q1 и Q2, с резистором R, и эмиттером транзистора Q4, при этом второй конец резистора R и эмиттеры транзисторов QIh Q2 подключены к шине земля, а второй конец конденсатора соединен с источником I_in и с базами транзисторов Q3 и Q4, а коллектор транзистора Q4 и второй конец источника подключены к шине питания V_cc.

Однако, недостатком схемы (с) является наличие двух резисторов R малой величины, имеющими большой технологический разброс, влияющий на величину и расположение выброса на частотной характеристике, ухудшающего устойчивость усилителя при охвате его общей отрицательной обратной связи.

Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом, является операционный усилитель с токовой обратной связью (current feedback amplifier - CFA) [Sergio Franco, Analytical Foundations of current - feedback amplifiers // СA 94132 USA], содержащий два входных эмиттерных повторителя напряжения, выполненных на транзисторах Q6 и Q10 и двух источников постоянного тока I1 и I2 соответственно и основную усилительную пару транзисторов Q1 и Q2 первого и второго типов проводимости со связанными между собой эмиттерами, которые являются входным буфером для отражателей тока Вильсона первого и второго типа проводимости, при этом база транзистора Q1 подключена к эмиттеру транзистора Q3 и одному из концов источника постоянного тока I1, другой конец которого подключен к шине положительного источника питания Е_п⁺, а база транзистора Q2 подключена к одному из концов источника постоянного тока 12, другой конец которого подключен к шине отрицательного источника Е_п^-, а базы транзисторов Q3 и Q4 объединены между собой и подключены к шине Вх(+), а коллектор транзистора Q1 подключен к коллектору транзистора Q7 и к базе транзистора Q5, а его эмиттер подключен к базам транзисторов Q6 и Q7, эмиттеры которых подключены к шине положительного напряжения Е_п⁺, а коллектор транзистора Q2 подключен к коллектору транзистора Q9 и к базе транзистора Q10, а его эмиттер подключен к базам транзисторов Q8 и Q9, а их эмиттеры - к шине отрицательного напряжения Е_п^-, а коллекторы транзисторов соединены между собой и подключены ко входу выходного буфера (+1), а его выход ВЫХ подключен через резистор R_oc к инвертирующему входу усилителя Вх (-), а также подключены активные частотно-корректирующие цепи: ускоряющий конденсатор С1, подключенный к эмиттерам транзисторов Q1 и Q2 и к инвертирующему входу входного буфера, а вторым концом подключенного к шине земли; а конденсатор С2 подключен одним концом к шине земли, а вторым концом - к коллекторам транзисторов Q5 и Q6 и ко входу (+) выходного буфера. Коллекторы транзисторов Q1 и Q2 являются выходами 1, 2 входного буфера для отражателей Вильсона первого и второго типа проводимости соответственно.

Недостатком прототипа является недостаточно высокий коэффициент усиления (трансимпеданс), и ограничение полосы пропускания в режиме единичного усиления из-за выброса на амплитудно-частотной характеристике на высоких частотах и необходимость введения корректирующего конденсатора С1 большой величины для обеспечения устойчивости усилителя в области высоких частот (для исключения выброса), что также приводит к увеличению площади кристалла чипа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение коэффициента усиления (трансимпеданса) и расширения полосы пропускания усилителя.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение трансимпеданса, и как следствие, повышение коэффициента усиления по напряжению. Это позволяет расширить в (1,5÷2) раза полосу пропускания единичного усиления без увеличения потребляемой мощности схемы усилителя-прототипа, повысить устойчивость усилителя без увеличения емкости корректирующего конденсатора и площади кристалла чипа.

Поставленная задача достигается тем, что в операционный усилитель с токовой обратной связью, содержащий входной буфер, нагрузкой которого являются два отражателя тока Вильсона первого типа проводимости и второго типа проводимости, выходной буфер, при этом инвертирующий вход входного буфера соединен с одним концом первого конденсатора, а второй конец конденсатора подключен к шине земля, причем второй выход входного буфера подключен к коллектору первого транзистора второго типа проводимости, база которого подключена к базе второго транзистора второго типа проводимости, эмиттер которого подключен к шине положительного питания и к эмиттеру первого транзистора, а коллектор второго транзистора подключен к базе второго транзистора и к эмиттеру третьего транзистора второго типа проводимости, база которого подключена ко второму выходу входного буфера, а коллектор третьего транзистора подключен к коллектору пятого транзистора первого типа проводимости, к входу второго буфера и к одному из концов второго конденсатора, второй конец которого подключен к шине земля, а выход второго буфера является выходом усилителя, при этом эмиттер пятого транзистора подключен к коллектору шестого транзистора первого типа проводимости, и к базам шестого и седьмого первого типа проводимости транзисторов, эмиттеры которых соединены между собой и с шиной отрицательного питания, а коллектор седьмого транзистора подключен к первому выходу входного буфера и к базе пятого транзистора, дополнительно введены два динамических токоотвода, а в каждый отражатель тока Вильсона дополнительно введены частотно-корректирующие цепи, при этом первый динамический токоотвод образован четвертым транзистором второго типа проводимости, эмиттер которого подключен к одному из концов резистора R1, второй конец которого подключен к шине положительного питания, база четвертого транзистора подключена к коллектору и базе второго транзистора, подключенной к одному из концов резисторов R2 и R3, при этом второй конец резистора R2 подключен к шине положительного питания, а второй конец резистора R3 подключен к одному из концов конденсатора С3, второй конец которого подключен к второму выходу входного буфера, а коллектор четвертого транзистора подключен к базе восьмого транзистора первого типа проводимости второго динамического токоотвода, коллектор которого подключен к базе четвертого транзистора, а эмиттер подключен к одному из концов резистора R4, второй конец которого подключен к шине отрицательного питания, при этом база восьмого транзистора подключена к эмиттеру пятого транзистора, к коллектору и базе шестого транзистора, к одному из концов резисторов R5 и R6, при этом второй конец резистора R6 подключен к шине отрицательного питания, а второй конец резистора R5 подключен к одному из концов конденсатора С4, второй конец которого подключен к первому выходу входного буфера и к базе пятого транзистора.

Данное изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 показана принципиальная схема операционного усилителя с токовой обратной связью.

Операционный усилитель с токовой обратной связью (см. фиг. 1), содержит входной буфер (1), нагрузкой которого являются два отражателя тока Вильсона первого типа проводимости (2) и второго типа проводимости (3), при этом инвертирующий вход входного буфера соединен с одним концом первого конденсатора С1 (4), а второй конец конденсатора С1 (4) подключен к шине земля, причем второй выход входного буфера (1) подключен к коллектору первого транзистора второго типа проводимости VT1 (5), база которого подключена к базе второго транзистора в VT2 (6) второго типа проводимости, эмиттер которого подключен к шине положительного питания и к эмиттеру первого транзистора VT1 (5), а коллектор второго транзистора VT2 (6) подключен к базе второго транзистора VT2 (6) и к эмиттеру третьего транзистора VT3 (7) второго типа проводимости, база которого подключена ко второму выходу входного буфера (1), а коллектор третьего транзистора VT3 (7) подключен к коллектору пятого транзистора VT5 (9) первого типа проводимости, к входу второго буфера (10) и к одному из концов второго конденсатора С2 (11), второй конец которого подключен к шине земля, а выход второго буфера (10) является выходом усилителя, при этом эмиттер пятого транзистора VT5 (9) подключен к коллектору шестого транзистора VT6 (12) первого типа проводимости, и к базам шестого VT6 (12) и седьмого VT7 (13) первого типа проводимости транзисторов, эмиттеры которых соединены между собой и с шиной отрицательного питания, а коллектор седьмого транзистора VT7 (13) подключен к первому выходу входного буфера (1) и к базе пятого транзистора VT5 (9), в него дополнительно введены два динамических токоотвода, а в каждый отражатель тока Вильсона (2,3) дополнительно введены частотно-корректирующие цепи, при этом первый динамический токоотвод образован четвертым транзистором VT4 (8) второго типа проводимости, эмиттер которого подключен к одному из концов резистора R1 (16), второй конец которого подключен к шине положительного питания, база четвертого транзистора VT4 (8) подключена к коллектору и базе второго транзистора VT2 (6), подключенной к одному из концов резисторов R2 (17) и R3 (18), при этом второй конец резистора R2 (17) подключен к шине положительного питания, а второй конец резистора R3 (18) подключен к одному из концов конденсатора С3 (19), второй конец которого подключен ко второму выходу входного буфера (1), а коллектор четвертого транзистора VT4 (8) подключен к базе восьмого транзистора VT8 (14) первого типа проводимости второго динамического токоотвода, коллектор которого подключен к базе четвертого транзистора VT4 (8), а эмиттер подключен к одному из концов резистора R4 (15), второй конец которого подключен к шине отрицательного питания, при этом база восьмого транзистора VT8 (14) подключена к эмиттеру пятого транзистора VT5 (9), к коллектору и базе шестого транзистора VT6 (12), к одному из концов резисторов R5 (20) и R6 (21), при этом второй конец резистора R6 (21) подключен к шине отрицательного питания, а второй конец резистора R5 (20) подключен к одному из концов конденсатора С4 (22), второй конец которого подключен к первому выходу входного буфера (1) и к базе пятого транзистора VT5 (20).

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является введение в него дополнительно двух динамических токоотводов на транзисторах VT4 (8) и VT8 (14) и резисторах R1 (16) и R4 (15) соответственно, а в каждый отражатель тока Вильсона дополнительно введены частотно-корректирующие цепи R2-R3-C3 и R5-R6-C4 соответственно, что дает возможность в (3+5) раза повысить выходное сопротивление (трансимпеданс) транзисторов VT3 (7) и VT5 (9) соответственно, расширить в (1,5÷2) раза полосу пропускания единичного усиления без увеличения потребляемой мощности схемы усилителя-прототипа и площади кристалла.

Эффект повышения коэффициента усиления (трансимпеданса) достигается тем, что транзистор VT5 (9) в статическом режиме работает в активном режиме с пониженной потребляемой мощностью, определяемой разностью токов транзисторов VT2 (6) и VT8 (14) первого токоотвода, при этом ток основного нагрузочного транзистора VT3 (7) меньше в (3+5) раз тока токоотвода транзистора VT8 (14), поэтому в статическом режиме крутизна транзистора VT3 (7) меньше в (3÷5) раз крутизны входного транзистора VT1 (5) и VT2 (6). В динамическом режиме при подаче на вход (+), например, положительной полуволны синусоидального сигнала, эмиттер транзистора VT3 (7) имеет такую же крутизну, что и эмиттеры входных транзисторов VT1 (5) и VT2 (6), поэтому по переменному сигналу весь ток передается в эмиттер транзистора VT3 (7) и на вход выходного буфера (+1) (10).

Коэффициент усиления (трансимпеданс) будет определяться следующим выражением: K_R=К_{прототипа}×n, где n=(3÷5); где gm2 и gm3 - крутизны транзисторов VT2 (VT3) в статическом режиме. Для отрицательной входного сигнала эффект повышения коэффициента усиления определяется отношением крутизны транзисторов VT5 и VT6.

Устройство работает следующим образом.

В схеме прототипа коэффициент усиления определяется, в основном, выходным сопротивлением параллельно включенных транзисторов VT3 и VT5. Таким образом, подавая на вход входного буфера синусоидальный сигнал напряжения, который преобразуется входным буфером в пропорциональный ему ток. Этот ток отражается отражателями Вильсона, который поступает на вход выходного буфера, назначение которого преобразовать ток в напряжение на выходе. При этом частотные характеристики в режиме малого сигнала, как уже указывалось выше, определяются выходным сопротивлением (трансимпедансом) транзисторов VT3 (7), VT5 (9) и емкостью частотно-фазовой коррекции С2 (11). Для повышения коэффициента усиления необходимо повысить выходное сопротивление параллельно включенных транзисторов, которое можно обеспечить только одним путем, а именно, уменьшить коллекторные токи этих транзисторов в 3-5 раз, но при этом уменьшается полоса пропускания за счет снижения частотных свойств этих транзисторов и необходимостью в частотно-корректирующего конденсатора С2 (И). Для расширения полосы пропускания необходимо увеличить режимные токи, при этом для обеспечения устойчивости усилителя при охвате его цепи отрицательной связью необходимо увеличить номинал конденсатора С2 (11), что приводит к увеличению потребляемой мощности. Данная задача решается введением двух автоматически управляемых отражателей тока, которые обеспечивают повышенное выходное сопротивление, параллельно включенных транзисторов VT3 (7) и VT5 (9) в статическом режиме за счет перераспределения токов между транзисторами VT3 (7) и VT8 (VT5) (14 (9)) и VT6 (12)). В динамическом режиме приращение токов в транзисторах VT1 (5), VT2 (6) полностью передается транзистору VT3 (7), благодаря тому, что приращение токов в динамический токоотвод не может поступать из-за большого коллекторного сопротивления транзистора VT8 (VT4) (14 (8)). Следовательно, усиление в статическом режиме определяется повышенным выходным сопротивлением VT3 (VT5) (7 (9)) за счет принудительного ответвления коллекторного тока транзистора VT2 (6) в коллекторную цепь транзистора VT8 (14), что и приводит к повышению коэффициента усиления. В динамическом режиме схема работает как обычный отражатель тока Вильсона, обеспечивая большой ток в нагрузку и при одновременном уменьшении корректирующего конденсатора С2 (11). Одновременно в динамическом режиме происходит расширение полосы пропускания и скорости нарастания выходного сигнала в режиме повторителя. Дальнейшее расширение полосы пропускания в режиме малого сигнала обеспечивается путем введения двух пассивных частотно-корректирующих цепей R2-R3-C3 и R5-R6-C4, которые дополнительно убирают выброс на фазо-частотной характеристике, повышая запас по фазе и тем самым, обеспечивая устойчивость усилителя при охвате его отрицательной обратной связи.

Таким образом, в предлагаемом изобретении одновременно повышены коэффициент усиления, расширена полоса пропускания в режиме малого сигнала и повышена скорость нарастания выходного сигнала в режиме большого сигнала без существенного увеличения корректирующих конденсаторов, без увеличения потребляемой мощности схемы прототипа и без увеличения площади кристалла. Достигнуты высокие частотные и скоростные характеристики усилителя с токовой обратной связью, которые осуществлены в отражателе Вильсона с помощью введения динамических токоотводов, позволяющих обеспечить столь высокие характеристики без повышения потребляемой мощности за счет перераспределения токов по сравнению со схемой прототипа.

Изобретение относится к электронным устройствам, в частности к усилителям. Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение трансимпеданса, повышение коэффициента усиления по напряжению и повышение устойчивости усилителя без увеличения емкости корректирующего конденсатора. Технический результат достигается за счёт двухтактного операционного усилителя с токовой обратной связью с повышенным коэффициентом усиления и расширенной полосой пропускания, который содержит основной блок усиления, нагрузкой которого являются два отражателя тока Вильсона, содержащий активные цепи частотно-фазовой коррекции на конденсаторах. Дополнительно в него введены два управляемых источника тока на транзисторах VT4 и VT8 для задания режима пониженной потребляемой мощности нагрузочных транзисторов VT3 (VT5) в статическом режиме. Дальнейшее расширение полосы пропускания в режиме малого сигнала обеспечивается путем введения двух пассивных частотно-корректирующих цепей R2-R3-C3 и R5-R6-C4, которые дополнительно убирают выброс на фазочастотной характеристике. 1 ил.

Операционный усилитель с токовой обратной связью, содержащий входной буфер, нагрузкой которого являются два отражателя тока Вильсона первого типа проводимости и второго типа проводимости, выходной буфер, при этом инвертирующий вход входного буфера соединен с одним концом первого конденсатора С1, а второй конец конденсатора С1 подключен к шине «земля», причем второй выход входного буфера подключен к коллектору первого транзистора второго типа проводимости, база которого подключена к базе второго транзистора второго типа проводимости, эмиттер которого подключен к шине положительного питания и к эмиттеру первого транзистора, а коллектор второго транзистора подключен к базе второго транзистора и к эмиттеру третьего транзистора второго типа проводимости, база которого подключена ко второму выходу входного буфера, а коллектор третьего транзистора подключен к коллектору пятого транзистора первого типа проводимости, к входу второго буфера и к одному из концов второго конденсатор С2, второй конец которого подключен к шине «земля», а выход второго буфера является выходом усилителя, при этом эмиттер пятого транзистора подключен к коллектору шестого транзистора первого типа проводимости и к базам шестого и седьмого первого типа проводимости транзисторов, эмиттеры которых соединены между собой и с шиной отрицательного питания, а коллектор седьмого транзистора подключен к первому выходу входного буфера и к базе пятого транзистора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два динамических токоотвода, а в каждый отражатель тока Вильсона дополнительно введены частотно-корректирующие цепи, при этом первый динамический токоотвод образован четвертым транзистором второго типа проводимости, эмиттер которого подключен к одному из концов резистора R1, второй конец которого подключен к шине положительного питания, база четвертого транзистора подключена к коллектору и базе второго транзистора, подключенной к одному из концов резисторов R2 и R3, при этом второй конец резистора R2 подключен к шине положительного питания, а второй конец резистора R3 подключен к одному из концов конденсатора С3, второй конец которого подключен ко второму выходу входного буфера, а коллектор четвертого транзистора подключен к базе восьмого транзистора первого типа проводимости второго динамического токоотвода, коллектор которого подключен к базе четвертого транзистора, а эмиттер подключен к одному из концов резистора R4, второй конец которого подключен к шине отрицательного питания, при этом база восьмого транзистора подключена к эмиттеру пятого транзистора, к коллектору и базе шестого транзистора, к одному из концов резисторов R5 и R6, при этом второй конец резистора R6 подключен к шине отрицательного питания, а второй конец резистора R5 подключен к одному из концов конденсатора С4, второй конец которого подключен к первому выходу входного буфера и к базе пятого транзистора.