Операционный усилитель Советский патент 1987 года по МПК H03F3/45 

1 - 1283946

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов с высо- г Ким быстродействием.

Цель изобретения - повышение быстродействия и расширение полосы частот.

На чертеже представлена принципи- 10 альная электрическая схема операционного усилителя.

Операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад 1, первьш повторитель 2 тока, промажу- 15 точный каскад 3, первый транзистор 4, второй транзистор 5, третий транзистор 6, четвертый транзистор 7, пятый транзистор 8, шестой транзистор 9, д1ухта:ктный выходной каскад 20

10, усилитель И тока, седьмой транзистор 12, восьмой транзистор 13, второй повторитель 14 тока, четвертый резистор 15, второй резистор 16, третий резистор 17, диод 18 и токо- задающий элем(гнт 19.

Операционный усилитель (ОУ) работает следующнЗ 4 образов.

На малом сигнале структура ОУ представляет собой два параллельных канала с существенно различньми амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ). Второй повторитель 14 тока, пятый и шестой транзисторы 8, 9 промежуточного каскада 3 образуют высокочастотный (вч) канал ОУ.

Шестой транзистор 9 промежуточного каскада 3, осуществляющий передачу тока в ВЧ ;канале усилителя, вклю25

30

35

дифференциального каскада 1, первы повторителем 2 тока и транзисторам 4-7 промежуточного каскада 3. Перв и второй транзисторы 4, 5 включены по схеме с общим коллектором и обл дают большим усилением по току,поэт му коэффициент усиления НЧ канала низких частотах существенно превьш ет коэффициент усиления ВЧ канала.

Однако результирующая АЧХ НЧ ка нала имеет два полюса, а поэтому д обеспечения устойчивости обособлен ного НЧ канала, охваченного глубок обратной отрицательной связью, нео ходима корректирующая цепь.

При объединении обоих каналов у ется одновременно обеспечить высок коэффициент усиления на постоянном токе и высокзпо частоту единичного усиления.

При использовании достаточно вы кочастотных р-п-р транзисторов В Б канале предлагаемый ОУ не нуждаетс в цепях коррекции. Кроме того, стр тура каскадов предлагаемого устрой ства исключает чередование нулей и полюсов на результирующей .АЧХ, опр деляя тем самым его хорошие перехо ные характеристики и малое время установления. При этом ОУ обладает широкой полосой усиления и хорошим импульсными характеристиками, прич выброс вершины передаваемого импул са при включении ОУ со 100% обратн связью определяется в основном емкостными помехамиS проникающими че рез паразитные емкости входного ди ференциального каскада на выход ус

чен по схеме z общей базой, что обес- 40 лителя, и нелинейными эффектами в

печивает его предельную широкополое- ность. Используемая структура ВЧ канала обеспечивает высокое значение частоты единичного усиления, определяемое лишь крутизной и емкостью, приведенной к выходу промежуточного каскада 3. При этом результирующая АЧХ ВЧ канала имеет один полюс и он обычно является абсолютно устойчивым во всей полосе усиливаемых частот.

Однако усиление ВЧ канала на постоянном токе невелико и при токах смещения во входном и промежуточном каскадах на уровне одного миллиампер не превьш1ает /1-3/«10,

Недостаточно высокое усиление ВЧ канала на постоянном токе компенсируется низкочастотным (НЧ) каналом, образованным транзисторами входного

0

5 0

5

0

5

дифференциального каскада 1, первым повторителем 2 тока и транзисторами 4-7 промежуточного каскада 3. Первый и второй транзисторы 4, 5 включены по схеме с общим коллектором и обладают большим усилением по току,поэтому коэффициент усиления НЧ канала на низких частотах существенно превьш1а- ет коэффициент усиления ВЧ канала.

Однако результирующая АЧХ НЧ канала имеет два полюса, а поэтому для обеспечения устойчивости обособленного НЧ канала, охваченного глубокой обратной отрицательной связью, необходима корректирующая цепь.

При объединении обоих каналов удается одновременно обеспечить высокий коэффициент усиления на постоянном токе и высокзпо частоту единичного усиления.

При использовании достаточно высокочастотных р-п-р транзисторов В БЧ канале предлагаемый ОУ не нуждается в цепях коррекции. Кроме того, структура каскадов предлагаемого устройства исключает чередование нулей и полюсов на результирующей .АЧХ, определяя тем самым его хорошие переходные характеристики и малое время , установления. При этом ОУ обладает-, широкой полосой усиления и хорошими импульсными характеристиками, причем выброс вершины передаваемого импульса при включении ОУ со 100% обратной связью определяется в основном емкостными помехамиS проникающими через паразитные емкости входного дифференциального каскада на выход усиего структуре.

Отсутствие влияния емкостных эффектов входного дифференциального каскада 1 на выходной ток усилителя

I1 определяется подключением баз

седьмого и восьмого транзисторов 12, 13 к точкам, которые для емкостных помех являются синфазными. Независимость коэффициента усиления усилителя 11 от величины начального тока отличает его от известных устройств, используемых для аналогичных целей, коэффициент усиления по току которых всегда связан с величиной начального

тока, при этом обеспечение высокой скорости нарастания всегда сопровождается ухудшением экономичности. Такая особенность работы усилителя 11 тока обусловлена установкой чет

вертого, второго и третьего резисторов 15-17 в промежуточном каскаде 3. Сопротивление этих резисторов составляет десятки Ом, и они не оказывают практически Никакого влияния на частотно-усилительные характеристики промежуточного каскада 3.

Для предотвращения насыщения восьмого транзистора 13 при ограничении на отрицательных полуволнах сигнала установлен диод 18,

4 о рмула изобретения

Операционный усилитель содержащий входной дифференциальный каскад с двумя симметричными входами, первый и второй выходы которого подключены соответственно к входу и выходу первого повторителя тока, общий вьшод которого соединен с первой шиной питания, промежуточный каскад, первый вход которого соединен с входом первого повторителя тока, а второй вход - с вторым выходом входного дифференциального каскада, выполненный на первом и втором транзисторах одного типа проводимости, базы которых являются соответственно первым и вторым входами промежуточного каскада, а коллекторы объединены и подключены к первой шине питания, третьем и четвертом транзисторах противоположного типа проводимости, эмиттеры которых соединены соответственно с эмиттерами первого и второго транзисторов, а базы объединены и подключены к коллектору четвёртого транзистора, пятом и шестом транзисторах проводимость которых совпадает с проводимостью первого и второго транзисторов, базы пятого и .шестого транзисторов объединены с коллектором пятого транзистора и соединены через токозадающий элемент с базой четвер- того транзистора, при этом объединенные коллекторы третьего и шестого транзисторов являются выходом проме-

повыиения быстродействия и расширения полосы частот, в него введены два диода, пять резисторов, второй повторитель тока, общий вывод которого соединен с второй шиной питания, предвыходной каскад на биполярном транзисторе, вклю 1енном по схеме с коллектором, и источник тока смещения, при этом входной каскад имеет третий и четвертый выходы, подключенные соответственно к входу и выходу второго повторителя тока, между первым выходом входного каскада и входом первого повторителя тока включен первый резистор, а между перэья и Вторьц выходами входного каскада - прямосмещенный диод, промежуточный каскад вьтолнен с третьим и четвертым входами, которыми являются эмиттеры пятого и шестого транзисторов , подключенные соответственно к третьему и четвертому выходам входного каскада, при этом между эмиттерами первого и третьего, второго и четвертого транзисторов включены соответственно второй и третий резисторы, между объединенными базами третьего и четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора включен четвертый резистор, а коллектор третьего транзистора соединен с выходом промежуточного каскада через пя Гый резистор, источник тока смещения предварительного усилителя выполнен в виде усилителя тока на седьмом и восьмом транзисторах взаимно противоположного типа про- водимости, эмиттеры которых -объединены, при этом коллектор седьмого транзистора подключен к первой шине питания, его база соединена с базой первого транзистора, база восьмого транзистора соединена с коллектором четвертого транзистора, а коллектор восьмого транзистора подключен через источник напряжения смещения к эмиттеру транзистора предварительного усилителя мощности, база которого

жуточного каскада, и усилитель мощности, содержащий двухтактный выход- JQ подключена к коллектору шестого тран- ной каскад на комплементарных бипо- зистора, а коллектор - к второй шине

лярных транзисторах с цепью напряжения смещения между их базами, о т- личающийся тем, что, с целью

0

5

0 5

0

5

0

5

повыиения быстродействия и расширения полосы частот, в него введены два диода, пять резисторов, второй повторитель тока, общий вывод которого соединен с второй шиной питания, предвыходной каскад на биполярном транзисторе, вклю 1енном по схеме с коллектором, и источник тока смещения, при этом входной каскад имеет третий и четвертый выходы, подключенные соответственно к входу и выходу второго повторителя тока, между первым выходом входного каскада и входом первого повторителя тока включен первый резистор, а между перэья и Вторьц выходами входного каскада - прямосмещенный диод, промежуточный каскад вьтолнен с третьим и четвертым входами, которыми являются эмиттеры пятого и шестого транзисторов , подключенные соответственно к третьему и четвертому выходам входного каскада, при этом между эмиттерами первого и третьего, второго и четвертого транзисторов включены соответственно второй и третий резисторы, между объединенными базами третьего и четвертого транзисторов и коллектором четвертого транзистора включен четвертый резистор, а коллектор третьего транзистора соединен с выходом промежуточного каскада через пя Гый резистор, источник тока смещения предварительного усилителя выполнен в виде усилителя тока на седьмом и восьмом транзисторах взаимно противоположного типа про- водимости, эмиттеры которых -объединены, при этом коллектор седьмого транзистора подключен к первой шине питания, его база соединена с базой первого транзистора, база восьмого транзистора соединена с коллектором четвертого транзистора, а коллектор восьмого транзистора подключен через источник напряжения смещения к эмиттеру транзистора предварительного усилителя мощности, база которого

подключена к коллектору шестого тран- зистора, а коллектор - к второй шине

питания, между базой четвертого транзистора и коллектором восьмого транзистора включен прямосмещенный диод.