Операционный усилитель Советский патент 1984 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к усилительным устройствам и предназначено для использования в усилителях различного назначения, которые явЛяются частью аналоговых и аналогоцифровых быстродействующих интегралных схем на МДП-транзисторах.

Известен операционный усилитель на МДП-транзисторах, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, истоковый повторитель и выходной двухтактный каскад, а также корректируквдий конденсатор l .

Известное устройство обладает недостаточно высоким коэффициентом усиления и большой мощностью потребления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является операционный усилитель, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, выполненны в виде объединенных по входу первог дифференциального каскада с генератором вытекающего тока, которые выполнены на П-канальных МДП-транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательног управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на р -канальном МДП- транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются первым выходом выходного дифференциального каскада, и второго дифференциальнбго каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены на р -канальных МДП-транзисторах,при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к источнику положительного управляющего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на h -канальном МПД-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного дифференциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питания первом р -канальном МДП-транзисторе и втором п -канальном МДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом между затвором и стоком первого р -канального и второго VI -канального МДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы 1.2}.

Известный операционный усилитель обладает недостаточно высоким коэффициентом усиления и высокой мощностью потребления.

Цель изобретения - повышение коэфициента усиления и уменьшение потребляемой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в операционный усилитель, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, выполненный в виде объединенных 5 по входу первого дифференциального каскада с генератором вытекающего тока, которые выполнены на П -канальньрс ВДП-транзисторахд1ри этом затвор МДП-транзистора генератора вытекаю0 щего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на р -канальном ЦЦП-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являпотся первым выходом входного дифференциального каскада, и второго дифференциального каскада с генератором втекающегю тока, которые выполнены на р,-канальных МДП-транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к источнику положительного управляющего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на Л -канальном МДПтранзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного диффер енциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питания первом р -канальном МДП-транзисторе и Втором п -канальном МДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом между затвором и.стоком первого р -канального и второго П -канального МДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, введены первый дополнительный генератор втекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненные соответственно на р -канальном и п -канальном МДП-транзисторах, второй дополнительный генератор втекающего тока, выполненный на р -канальном МДП транзисторе, а также узел смещения, выполненный в виде h -канального МДП-транзистора/ в цепи стока которого включен и канальный МДП-транзистор в диодном включении, при этом затворы транзисторов первого дополнительного генератора втекающего тока и дополнительного генератора вытекающего тока

5 подключены к затворам МДП-транзисторов соответственно генератора втекающего тока и генератора вытекающе1 о тока, стоки - к затворам соответственно первогор-канального и второго 11 -канального МДП-транзисторов выходного каскада, затвор П -канального МДП-транзистора узла c ющeния подключен к затвору второго h канального мда-транзистора выходно5 го каскада, а затвор р-канального

МДП-транзистора - к затвору МДПтранзистора второго дополнительного генератора втекающего тока, сток которого подключен к затвору перво-. го р -канального МДП-транзистора выходного каскада.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства.

Оперьционный усилитель содержит первый дифференциальный каскад 1, выполненный на и-канальных МДПтранзисторах 2 и 3, генератор вытекающего тока, выполненный на п -канальном МДП-транзисторе 4, первая динамическаг несимметричная нагрузка, выполненная.на р -канальном МДИ-транзисторе 5, второй дифференцисшьный касксШ 6, выполненный на р -канальных МДП-,транзисторах 7 ;и 8, генератор втекающего тока, выполненный на р -канальном МДГГ-транзисторе 9, вторая ,инaмичecкaя песимметричная нагрузка, выполненная на п -канальном МДП-транзисторе 10, выходной каскад, выполненный на первом р -канальном МЛП-тронзисторе 11 и на втором п -канальном МДП-транзис торе 12, первый 13 и втЬрой 14 ко ректирующие конденсаторы, первый до:полнительный генератор втекающего тока, выполненный на р -канальном МДП-транзисторе 15, второй дополнительный генератор втекающего тока, выполненный на р тканальном МДПтранзисторе 16, дополнительный генератор вытекающего 1:ока, выполненный на П -канальном НДП-транзисторе 17, узел смещения, выполненный на л-канальном МДП-транзисторе 18 и р -канальном МДП-транзисторе 19 в диодном включении, источник 20 отрицательного управляющего напряжения, источник 21 положительного управляющего напряжения.

Операционный усилитель работает следующим образом.

Предположим, что генераторы вытекающего и втекающего токов задают токи 23 , а первый дополнительный .генератор втекающего тока и дополни тельный генератор вытекающего тока токи Og и 3j соответственно; при О через п -канальные МДП-тран зисторы 2иЗир -канальные МДП-транзисторы 7 и 8 протекают равные токи 3 , так как высокая нагрузочная способность и большое быстродействие (У предлагаемого операционного усилителя легко обеспечиваются и при одиисковых размерах этих транзистороа.

Гок1ц через п -канальный МДП-транэистор 10 равен разности токов | -канального МДП-транзистор а 7 и т -канального МДП-транзистора 17: 3ц 3 -1 . Поскольку ток 1ц усиливается узлом смещения и вторым дополнительным генератором втекакядего тока (схема стабилизации) в К раз (1, Kj,. ), ток с -канального МДП транзистора 15 выбирается равным

1 1 -(К(-1)1ц для того, чтобы ток р -канального 1 ДП-транзистора 5 был равен току ЗнП-:15анального МДП-транзистора 8. При этс через первый р -канальный МДП-транзйстор 11 и второй

И -канальный КДП-транзистор 12 вы0 ходного каскада протекает начальный , токЗвыко 3н 1f,4 1цУ, определякиций мощность, потребляемую самим опергщионным усилителем.

При увеличении разности потенциа5 лов между входами операционного усилителя от нуля до i Hgy ток в цепи .стока И -канального МДП-транзистора

10 падает на величину; о° РтУ 1 & Ь на.пряжение на выходе второго диффе0 .ренциальногр каскада уменьшается на

U«cto P №i b oV fill Ullwl), где р.; - коэффициент, равный произведению подвижности основных носигелёй

5 в канале на удельную емкость диэлектрика затвора, причем для р .-канальных МДП-транзисторов i 5 мкА/В, а для п -канальных ; 12 мкА/В. Таким образом, коэффициент усиления второго диффёренциально о каскада

0 9 , оказывается в. 0,5 /1ц раз больше j чем в схеме устройства-прототипа. Еще больше различие в коэффициентах усиления первых дифференциальных каскадов

5 этих схем. Действительно, ток р -канального МДП-транзистора 5 npHuUj, возрастает благодаря действию и -канального МДП-транзистора 2 на величину, равную ЧТ( Уг l Wex/-)-Уменьше0ние тока h -канального МДП-транзистора 10 п; иводит к уменьшению тока р-канального МДП-транзистора 16 на величину (.-ь lio и такому же возрастанию тока р -канального .МДПтранзистора 5.I

5 Следовательно,результирующее увеличение тока р -канального МДП-транзистора 5 составляет;АЧНгр,у.11(&ивх12),

а коэффициент усиления первого диф0ференциального каскада равен К щ 1(92/95) 0,5St /i (). Поэтому |при прочих равных условиях предложенный операционный усилитель превосходит по коэффициенту усиления

5 операционный усилитель -прототипа не менее чем в 0,(О ,5 ) раз. Это различие увеличивается с ростом отношения токов IJ1ц и коэффициента стабилизации Ксб(ГЛц)-1 (знак равенст0 ва соответствует случаю Ig 0).Однако, чем меньше ток l по сравнению :С током I, тем труднее задать его достаточно точно из-за возможных отклонений физических параметров 5 МДП-транзисторов и их топологических размеров от своих расчетных значений. Если придУй1 0 ток транзисторов первой (или второй) динамической несимметричной нагрузки отличается от своего расчетного зна чения1ц на величину ut, то при использовании операционного усилителя в реальном устройстве из-за действи отрицательной обратной связи устано вившееся значение входного дифферен циального напряжения будет отличать ся от нуля. При этом токи транзисто рои первой и второй динамических несимметричных нагрузок, а также транзисторов выходного каскада 11 выравняются. При отсутствии схегич стабилизации и сопротивлении нагруз ки R ц - со , 1 .f --1( ,5 4lo . Вследс вие этого действительное значение начального тока выходного каскада может оказаться внесколько раз бол uie (или меньше ) своего расчетного значения 3 8fciX(j, что может привести к сильному увеличению потребляемой операционным усилителем мощности (или к его неустойчивости), В результате действия схемы стабилизации установившееся значение отклонения uig токов транзисторов первой и второй несимметричных дина мических нагрузок от расчетного значения 1 ц существенно меньше I 0,5 ь 1(5 . Действительно, если первоначальное значение отклонения одног И-э этих токов равно 4to, то измене ние другого тока из-зaJдействия стабилизации и отрицательной обратной связи выражено уравнением -К,.-ьГ.,.,-й1„ й1о, откуда Mo-UIoiUc + 2). При К--. 0 имеют 41д 0,5 ь1о / как было показано выше. Таким образом, использование схемы стабилизации с большим значением К позволяет зада вать весьма точно даже очень больши отношения токов 1/1|,1000 и выше. Это позволяет получить коэффициент усиления больший, чем у известных операционных усилителей. Способност отдавать значительные токи в реэист ную нагрузку (или отбирать) и быстр заряжать нагрузочную емкость (или разряжать) у предлагаемого операционного усилителя очень велика и рас тет с увеличением отношения токов / Благодаря этому начальный ток через выходной каскад3 выхои мощность, потребляемая самим операционным усили телам, могут быть существенно снижены. Если сопротивление нагрузки достаточно мало, то при формировании отрицательной полуволны выходного сигнала токи р -канальных МДП-транзисторов 5 и 11 становятся равными нулю, ко.гда ток И -канального МДПтранзистора 10 возрастает на величину,большую Тогда схема стабилизации перестает влиять на общий коэффициент усиления. Поэтому он несколько уменьшается и становится равным произведению коэффициента усиления второго дифференциального каскада на крутизну второго ц -канального МДП-транзистора 12 и сопротивление нагрузки. Однако и при этих условиях коэффициент усиления предлагаемого операционного усилителя остается существенно больше. При формировании положительной полуволны выходного сигнала усиление в результате действия схемы стабилизации сохраняется и общий коэффициент усиления значительно выше, чем при формировании отрицательной полуволны. Возможен и другой (равноценный) вариант выполнения предлагаемого усилителя, в котором схема стабилизации начального тока выходного каскада действует не с выхода второго дифференциального каскада на выход первого, а наоборот. При этом функции h -канального МДП-транзистора 18 выполняет р -канальный транзистор, а функции р -канальных транзисторов 19 и 16 -п -канальные транзисторы. Таким образом, в предложенном устройстве достигается большое отношение рабочего тока дифференциальных каскадов к току в цепях их нагрузки (1/1ц 100-1000) при нулевом входном сигнале, обеспечивается возможность увеличения токов через транзисторы выходного каскада в десятки и сотни раз при сравнительно малых входных сигналах. Это позволяет снизить ток выходного каскада при отсутствии внешней резистивной нагрузки, тем самым уменьшив мощность, потребляемую самим операционным усилителем, и повысив его КПД, а в то же время, обеспечить высокую нагрузочную способность и большую скорость перезарядки внешних емкостей. Такой операционный усилитель дает возможность, увеличить точность и скорость обработки информации в аналоговых быстродействующих интегральных схемах на МПД-транзисторах и снизить энергозатраты на зту обработку. Кроме того, улучшается технологичность изготовления высококачественных операционных усилителей за счет их сравнительно простой скеглл.

и

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные входной .дифференциальный каскад, выполненной в виде объединенных по входу первого дифференциального кас-када с генератором вытекающего тока, которые выполнены на П-канальных МДП-транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на р -канальном ВДП- транзисторе,затвор и сток которого объединены и являются первым выходом входного дифференциального каскада, и второго дифференциального каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены на р -канальных МДП-транзисторах,. при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к источнику положительного управляклцего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на и-канальном МДП-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного дифференциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относи; тельно источника питания первом р -ка-Нальном МДП-транзисторе и втором п -канальном ВДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом между затвором и стоком первогор - канального и второго П-канального ВДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и уменьшения потребляе.лой мощности, введены первый дополнительный генератор нтекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполс S ненные соответственно на р -канальном и и -канальном мда-транзисторах, (Л второй дополнительный генера.тор втекающего тока, выполненный на р- канальном МДП-транзисторе, а также узел смещения, выполненный в виде h -канального МДП-транзистора в цепи стока которого включен П -канальный МДП-транзистор в диодном включении, при этом затворы транзисторов первого дополнительного генератора втека-j ющего тока и дополнительного генератора вытекакяцего тока подключены к СО затворам МДП-транзисторов соответCD 00 00 ственно генератора тока и генератора вытекающего тока, стоки - к затворам соответственно первого р -канального и второго

X

: