Операционный усилитель Советский патент 1985 года по МПК H03F3/45 

2. Усилитель по п.1, от л и ч аю щ и и с я тем, что входной дифференциальный каскад, вьшолнениый по каскадной схеме и выходной ток которого изменяется от входного напряжения, по закону гиперболического синуса, содерз ит первый и второй транзисторы, базы котбрых являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя, отражатель тока, вход которого соединен с коллектором второго транзистора, выход - с коллектором первого транзистора, являющимся выходом входного дифференциального каскада, а также третий, четвертьй, пятый, шестой транзисторы и токозадающий элемент, выполненный на первом и втором дополнительных транзисторах, эмиттеры которых объединены и являются низкоомным входом токозадающего элемента, базы объединены и подключены к источнику напряжения смещения, а коллекторы являются первым и вторым выходами токозадающего элемента соответственно при этом эмиттер первого транзистора подключен к эмиттерам третьего и пятого транзисторов, эмиттер второго транзистора - к эмиттерам четвертого и шестого транзисторов, причем база и коллектор четвертого и база третьего транзисторов объединены и подключены к первому выходу токозадающего элемента, второй выход которого подключен к объединенным базе и коллектору пятого и базе шестого транзисторов, коллектор третьего транзистора подключен к шине источника питания, а коллектор шестого транзистора является противофазным выходом входного дифференциального каскада.

1. ОПЕРАДИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад. выполненный по каскадной схеме и выходной ток которого изменяется от входного напряжения по закону гиперболического синуса, промежуточный каскад, между входом и выходом которого включен.корректирующий конденсатор, и выходной каскад усиления мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и точности при сохранении быстродействия, в него введены усилитель тока, повторитель тока и конденсатор, включенный между неинвертирующим входом операционного : усилителя и входом усилителя тока, выход которого соединен с низкоом«Л ным входом токозадающего элемента входного дифференциального каскада, противофазный выход которого соединен с входом повторителя тока, выход которого подключен к входу выходного каскада усиления мощности. ;о 00 со

f

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в устройствах с высоким быстродействием.

Цель изобретения - повьяпение экономичности и точности при сохранении быстродействия.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема операционного усилителя.

Операционный усилитель (ОУ) содержит дифференциальный каскад (ДК) 1, вьшолненный на первом и втором транзисторах 2 и 3, отражателе тока на транзисторах 4 и 5, третьем, четвертом, пятом, шестом транзисторах 6-9, токозадакйций элемент на первом и втором дополнительных транзисторах 1О и 11, источник 12 напряжения смещения, повторитель тока на транзисторах 13. и 14, дополнительн токозадающий элемент 15, конденсатор 16, усилитель 17 тока на транзисторе 18 и резисторе 19, промежуточный каскад 20 на транзисторах 21 и 22 и резисторе 23, выходной каскад 24 усиления мощности, содержащий цепь смещения на диодах 25 и 26 и транзисторы 27 и 28, корректирующий конденсатор 29.

Операционный усилитель работает следующим образом.

В уравновешенном режиме ток смещения первого и второго транзисто- ров 2 и 3 входного ДК 1 обеспечивается за счет источника 12 напряжения смещения, выполненного, например, на двух прямосмещенных диодах, согласованных с первьм и вторым дополнительными транзисторами 10 и 11 и с транзистором 18 усилителя тока 17, что позволяет обеспечить достаточную термостабильность рабочего

режима входного ДК 1.

При условии взаимной согласованности третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов 6-9 и равенства площадей их эмиттеров ток смещения каждого из этих транзисторов

равен коллекторному току первого или второго дополнительных транзисторов 10, 11, а эмиттерные токи первого, второго транзисторов 2 и 3 и транзистора 18 имеют вдвое большее

значение.

Для задания необходимого режима транзистора 22 по постоянному току установлен дополнительный токозадающий элемент 15. Режим транзисторов 27 и 28 выход ного каскада 24 усиления мощности задается за счет протекания коллекторных токов транзисторов 14 и 22 по цепи смещения на диодах 25 и 26. В режиме малого сигнала работа ОУ не отличается от работы известных устройств. При включении ОУ повторителем на пряжения механизм передачи сигнала в его каскадах является различньм для перепадов входного напряжения противоположных полярностей. На входных перепадах открывающей поляр ности (т.е. способствующих открыванию база-эниттерных переходов перво го и второго транзисторов 2 и 3) для обеспечения высокого быстродействия используются емкостные токи смещения. Эти токи возникают за . счет заряда емкостей коллектор база третьего транзистора 6 и первого дополнительного транзистора 10 или базовьми токами третьего или шестого транзисторов 6 иш1 9, при этом входное сопротивление ОУ на большом сигнале открывающей полярно ти имеет емкостньА характер, а выходюю токи вхоАного ЛК t в режиме переключения ограничиваются лишь мощностью источника сигнала и теоре тически ие зависят от начального то ка смещения первого и второго транзисторов 2 и 3. Скорость заряда корректирующего конденсатора при разомкнутой ООС в этом случае составляет где Vg,# - скорость заряда корректирующего конденсатора 29; вк Ф скорость нарастания входного сигнала; РП - величина емкости шунтирующей соответствующий вход токового смещения; К, - коэффициент усиления тока транзистора 6 или 9, осуществляющего заряд емкост С 6a3OBWf ToKOMi кврр величина емкости корректи рующего конденсатора 29. Поскольку К обычно достаточно велик;; отношение практически всегда получается большим единицы, а это означает, что используемая структура входного ДК 1 позволя ет обеспечить в принципе произвольную скорость отслеживания перепадов входного напряжения открьгаающей полярности при включении ОУ повторителем напряжения. Достигаемая скорость отслеживания не ограничивается и другими каскадами ОУ, поскольку для рассматриваемой полярности передаваемого импульсного перепада заряд корректирующего конденсатора 29 осуществляется коллекторным током транзистора 22, который практически всегда может уравновесить выходной ток входного ДК 1, а выходной каскад 24 усиления мощности имеет двухтактную структуру и не имеет ограничений в скорости отслеживания для передаваемых сигналов любой полярности. Для увеличения быстродействия при передаче перепадов входного напряжения запирающей полярности в состав входного ДК 1 введены конденсатор 16 и усилитель 17 тока, позволяющие обеспечить двухтактный режим работы входного ДК 1. В режиме малого сигнала введение этих элементов не отражается на параметрах ОУ, поскольку сигнал с неинвертирующего входа вводится в объединенные эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов 10 и 11, т.е. синфазно. На большом сигнале эта синфазность нарушается, поскольку при высокой скорости нарастания входного запирающего сигнала первый и третий транзисторы.2 и 6 полностью отключаются и сигнальный ток замыкается с выхода дополнительного усипителя 17 тока через второй, четвертый, шестой транзисторы 3, 7, 9 и транзисторы 5 и 4 на вход промежуточного каскада 20, заряжая, кроме того, паразитные емкости, шунтирующие первый и второй выходы токозадающего элемента входного ДК 1. Скорость заряда этих емкостей и скорость заряда корректирующего конденсатора 29 при включении ОУ повторителем напряжения равны, откудаV. . ( где выходной ток усилителя тока в момент переключения, вх паразитная емкость, шунтирующая каждый выход токозадакяцего элемента.

я с учетом того, что

Г

вх

8ИХ

скорость нарастания входного запирающего перепадаj емкость конденсатора 16-, коэффициент усиления усилителя тока 17;

бх

(г

Скорр 2С„

бмх

Из этого выражения следует, что для обеспечения равных скоростей нарастания на входе и выходе ОУ, необходимо выполнить условие ;

/1 , корр -n

которое легко обеспечивается практически без увеличения входной емкости ОУ при Kj 1, что всегда имеет место на практике.

При этом минимально необходимая емкость конденсатора 16 определяется из соотношения

Скорр 2С„

С обеспечения К, в ОУ использован транзистор 18, входной ток смещения которого.замкнут на шину источника питания через резистор 19.

Отсутствие гальванической связи между неинвертирукяцим входом ОУ и входом усилителя 17 тока позволяет устранить неоднозначность входных токов смещения и существенно уменьшить их разность, значительно увеличивая точность ОУ по входу.

Входной ДК 1 не содержит однотактных цепей, работающих в режиме большого сигнала, что делает его

предельно экономичным, потребляющим лишь ток, необходимый для начального смещения усилительных элементов.

Связь одного из выходов ДК 1 через повторитель тока на транзисторах 13 и 14 с выходом промежуточного каскада 20 позволяет обеспечить двухтактный режим передачи сигнала в каскадах.ОУ.

При этом заряд корректирующего конденсатора 29 на открывающих перепадах осуществляется с выхода промежуточного каскада 20, а на запирающих - с противофазного выхода 5 ДК 1 при сохранении активного режима транзисторов промежуточного каскада 20, что обуславливает высокое быстродействие ОУ.

Обеспечение двухтактного усилит-еля в промежуточном каскаде 20 позволяет подключить корректирующий конденсатор 29 к его выходу, при этом обеспечиваются хорошие характеристики установления ОУ при работе на емкостную нагрузку.

Для исключения значительных помех, возникающих на шинах питания в момент переключения, корректирующий конденсатор 29 подключен к средней точке диодов 26 и 27.

При управлении ОУ по инвертирующему входу его быстродействие также достаточно велико, что определяется передаточной функцией входного 5 ДК 1, позволяющей обеспечить значительное усиление по мощности в этом каскаде.

Неинвертирукмций вход ОУ в таком режиме заземлен, при этом наличие конденсатора 16 и усилителя тока 17 не оказывает влияния на характер передачи сигналов.