Операционный усилитель Советский патент 1985 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к радиоэлектронике , и может использоваться для усиления, генерирования и преобразования- сигналов с высоким быстродействием. Цель изобретения - увеличение быстродействия при сохранении экономичности. На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого усилителя. Операционный усилитель (ОУ) содерживходной дифференциальный каскад ДК 1, выполненный на транзисторах -2 и 3, и повторителе тока на транзисторах 4 и 5, промежуточный каскад 6, выполненный на транзисторах 7 и 8 и источнике 9 напряжения смещения, корректирующий конденсатор 10, выходной двухтактный каскад 11 усиления мощности с целью смещения на диодах 12 и 13 и выполненной на транзисторах 14 и 15 и резисторах 16 и 17, усилитель 18 тока, выполненный на входном и и 20, первом выходном транзисторах 19 тока, узел 23 резисторе 21, источник 22 токового смещения, выполненный на первом 24 и втором 25 транзисторах, втором 26 и третьем 27 резисторах, отражателе тока , на третьем 28 и четвертом 29 транзисторах, четвертом резисторе 30, а также дополнительный источник 31 напряжения смещения. ОУ работает следующим образом. При включении питания и фиксированном потенциале на базах транзисторов 2 и 3 входного ДК 1 эти транзисторы смещаются выходными токами узла 23 токового смещения. В предположении, что потенциалы обеих баз одинаковы, транзисторы 2 и 3 и- третий 28 и четвертый 29 транзисторы взаимно согласованы, из-за наличия глубокой отрицательной обратной связи в структуре узла 23 токового смещения можно записать: 1кгз-1кг 1к29-1кз гмаэ г5-иэБг4 где 1к25,1к2 ка11к5 коллекторные токи соответствующих транзисторов; зз - напряжение дополнительного источника напряжения смещения 31; UsBajUjB -падение напряжения на базо-эмиттерных переходах второго 25 и первого 24 транзисторов; Е - сопротивление третьего резистора 27. Это выражение является справедливым при наличии второго резистора 26 до тех пор, пока первый транзистор 24 находится в активном режиме. При условии согласованности первого 24, входного 19 транзисторов и второго 25 выходного 20 транзисторов, выходной ток усилителя 18 тока с учетом первого резистора 21 равен коллекторному току второго транзистора 25, поскольку базы согласованных транзисторов соединены между собой. Однако для обеспечения токовой симметрии нагрузки входного ДК 1 площадь эмиттера транзистора 7 должна быть вдвое больщей, нежели у транзисторов 4 и 5, а коллекторные токи транзисторов 7 и 8 в уравновещенном режиме должны быть равны суммарному выходному току узла 23 токового смещения. Поэтому параллельно усилителю 18 тока включен источник 22 тока с равным значением выходного тока. Это позволяет обеспечить токовую полную симметрию ОУ в уравновещенном режиме и минимальное значение дрейфа, приведенного к его входу. Выходной ток транзисторов 7 и 8 промежуточного каскада 6 смещает диоды 12 и 13, обеспечивая тем самым необходимый режим транзисторов 14 и 15 выходного двухтактного каскада 11 усиления мощности. Транзистор 8 промежуточного каскада 6, вклюценный по схеме с общей базой, установлен для устранения проводимости обратной связи транзистора 7, включенного по схеме с общим эмиттером, что способствует увеличению коэффициента усиления устройства на постоянном токе. В режиме малого сигнала работа предлагаемого ОУ практически не отличается от работы известных ОУ. В режиме больщого сигнала из-за преднамеренно введенной ассиметрии в структуре узла 23 токового смещения принцип функционирования ОУ различен для входных перепадов разной полярности. На положительном входном перепаде, имеющем бесконечную скорость нарастания, сдвиг,.возникающий на входе ОУ, включенного повторителем напряжения, приводит к выключению транзистора 2, при этом база четвертого транзистора 29 оказывается замкнутой через емкость коллектор - база второго транзистора 25 на дополнительный источник 31 напряжения смещения. Это. приводит к быстрому возрастанию коллекторных токов транзистора 3 и четвертого транзистора 29, которые ограничиваются лищь насыщением четвертого транзисторд 29 при увеличении падения напряжения на третьем резисторе 27. Поскольку последний имеет относительно небольщую величину сопротивления для обеспечения малого падения на нем в режиме покЬя, коллектбрный ток транзистора 3 в момент переключения намного превыщает значение тока смещения входного ДК 1 в уравновещенном режиме. Это позволяет обеспечить быстрый заряд корректирующего конденсатора 10, и, соответственно; высокую скорость нарастания на выходе ОУ. Включение транзисторов 3, 7 и 14 в активном направлении для сигнального тока положительного входного перепада позволяет получить исключительно большое его усиление в структуре ОУ, что определяет высокую нагрузочную способность ОУ и позволяет работать на нагрузку с большей емкостной составляюш,ей без ухудшения быстродействия.

На отрицательном перепаде входного напряжения полностью отключается транзистор 3, при этом коллекторный ток четвертого транзистора 29 и падение напряжения на третьем резисторе 27 стремятся к нулю. Вследствие этого, одновременно и в равной степени возрастают коллекторные токи первого 24, второго 25 транзисторов, транзисторов 2, 4 и 5, входного 19 и выходного 20 транзисторов, заряжающий корректирующий конденсатор 10.

Втекание равных и взаимно-противоположных токов в этот конденсатор со стороны базы транзистора 7 и коллектора транзистора 8 предотвращает изменение базового тока транзистора 7, при этом теоретически режим транзисторов промежуточного каскада 6 соответствует режиму покоя. В таком случае транзисторы 7 и 8 не препятствуют зарядукорректирующего конденсатора 10 с произвольной скоростью, ограничиваемой лишь коэффициентами усиления тока первого 24 и второго 25 транзисторов и входного 19 и выходного 20 транзисторов.

Структура узла 23 токового смещения и усилителя 18 тока является устойчивой, не увеличивает числа полюсов малосигнальной частотной характеристики ОУ -и не требует дополнительных элементов коррекции.

При этом малая величина третьего резистора 27 позволяет обеспечить не только высокое быстродействие ОУ, но и высокую нагрузочную способность для отрицательного выходного перепада, определяемую активным усилением тока входного 19, выходного 20 транзисторов и транзистора 15.

Это позволяет обеспечить достаточную симметрию скоростей нарастания на выходе ОУ для выходных перепадов обеих полярностей, причем дополнительное симметрирование осуществляется изменением сопротивления четвертого резистора 30.

Для исключения аварийного режима при работе ОУ на нагрузку с большей емкостной составляющей в эмиттерах транзисторов 14 и 15 установлены резисторы 16 и 17, позволяющие также обеспечить необходимый режим выходного двухтактного каскада 11 усиления мощности по постоянному току. Для уменьщения импульсных помех, возникающих на щинах источника питания в моменты переключения корректирующий 5 конденсатор 10 присоединен к средней точке диодов 12 и 13.

Для отрицательных Перепадов выходного напряжения принцип функционирования ОУ не зависит от знака его коэффициента пе0 редачи.

На положительном выходном перепаде и отрицательном коэффициенте передачи принцип функционирования ОУ несколько изменяется, поскольку заземление базы транзистора 3 не позволяет использовать зарядный ток емкости коллектор - база второго транзистора 25. При этом для иск«1ючения существенного уменьшения эмиттерного тока четвертого транзистора 29 в момент переключения и соответствующего

0 уменьшения скорости нарастания, связанного с наличием обратной связи в структуре узла 23 токового смещения, установлен второй резистор 26.

Установка второго резистора 26 позволяет при полностью отключенно.м первом транзисторе 24 обеспечить достаточный ток базы четвертого транзистора 29 и те.м самым в достаточной мере уравнять скорости нарастания ОУ для инвертирующего включения. Сопротивление второго резистора 26

0 выбирается так, чтобы первый транзистор 24 находился в активно.м режиме, в ином случае ухудшаются характеристики ОУ по времени установления. Для обеспечения токовой симметрии в каскадах ОУ в усилителе 18 тока установлен первый резистор 21, сопротивление которого равно сопротивлению второго резистора 26.

Структура каскадов ОУ может быть существенно изменена при сохранении принципа его работы - во входном ДК 1 могут

использоваться полевые транзисторы или -биполярные, включенные по схеме Дарлингтона, в промежуточно.м каскаде 6 могут применяться любые известные схемные конструкции, позволяющие обеспечить токовую симметрию нагрузки входного ДК 1, а к

5 выходному двухтактному каскаду 11 усиления мощности предъявляются лишь требования достаточной нагрузочной способностии ее симметрии. IJ

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий входной дифференциальный каскад, имеющий узел токового смещения и несимметричный выход, который подключен к первой обкладке корректирующего конденсатора и через промежуточный каскад - к первому входу выходного двухтактного каскада усиления мощности, соединенному через цепь смещения с вторым входом выходного двухтактного каскада усиления мощности, к которому подключен выход источника тока, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия при сохранении экономичности, в него введен усилитель тока, выполненный на входном и выходном транзисторах, включенных по каскадной схеме общий коллектор - общая база соответственно, объединенные эмиттеры которых через первый резистор соединены с первой щиной источника питания, а коллектор выходного транзистора подключен к второму входу выходного двухтактного каскада усиления мощности, при этом узел токового смещения выполнен на первом и втором транзисторах, включенных по каскадной схеме общий коллектор - общая база соответственно, объединенные эмиттеры которых через второй резистор, а база первого транзистора через третий резистор соединены с первой щиной источника питания, коллектор второго трам:.истора соединен с входом, а база первого транзистора - с выходом отражателя тока, выполненного на третьем и четвертом транзисторах, причем $б объединенные коллектор и база третьего (Л транзистора являются входом, а коллектор четвертого - выходом отражателя тока, эмиттеры третьего и четвертого транзисторов являются соответственно первым и вторым токовыми вЬ1ходами узла токового смещения, объединены через четвертый резистор и подключены каждый к эмиттеру соответствующего транзистора входного дифференциального каскада, при этом вход усилителя тока соединен с базой первого ;о о транзистора узла токового смещения, а вторая обкладка корректирующего конденсатора подключена к средней точке цепи смещеО) ния. |