Операционный усилитель Советский патент 1992 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к аналоговым интеграла ным схемам, и может быть использовано в аналоговых ЭВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП,

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления и быстродействия.

Новизна предлагаемого изобретения по пункту 1 формулы изобретения обусловлена тем, что в операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах и содержащий дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах, затворы которых являются первым и вторым входами устройства, а общая истоковая цепь подключена к первому выводу токозадающего элемента, второй вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом между стоком первого полевого транзистора и второй шиной питания включена первая группа п последовательно соединенных полевых транзисторов, а также элементе токовой нагрузки, первый вывод которого соединен с второй шиной питания, второй вывод-с входом выходного повторителя напряжения, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента усиления и быстродействия, введены формирователь сдвига уровня входного сигнала, вход которого является третьим входом устройства, а между стоком второго полевого транзистора и вторым выводом элемента токовой нагрузки включена вторая группа п последовательно соединенных полевых транзисторов, причем затворы полевых транзисторов первой и второй групп подключены к соответствующим выходам формирователя сдвига уровня входного сигнала.

Новизна предлагаемого изобретения по пункту 2 обусловлена тем, что в операционном усилителе по пункту 1 сток n-го долевого транзистора первой группы соединен с второй шиной питания через дополнительный элемент токовой нагрузки, точка соединения которого со стоком n-го полевого транзистора первой группы подключена к входу дополнительного выходного повторителя напряжения, выход которого является инверсным по отношению к выходу выходного повторителя напряжения.

Указанная совокупность отличительных признаков предлагаемого операционного усилителя позволяет за счет подачи управляющих напряжений одновременно на затворы полевых транзисторов первой и второй групп стабилизировать напряжение сток-исток на каждом из них за исключением n-го полевого транзистора в каждой группе и добиться положительного эффекта - увеличить коэффициент усиления и повысить быстродействие.

В предлагаемом операционном усилителе высокий коэффициент усиления достигается другим методом, чем в известных операционных усилителях на полевых транзисторах. В основу этого метода положено

0 использование параллельно-последовательного принципа усиления. Сущность этого принципа заключается в применении для усиления последовательно включенных полевых транзисторов и подаче входного сиг5 нала одновременно на затворы этих транзисторов и на исток первого из них. Усиленный сигнал снимается со стока последнего транзистора, к которому подключена нагрузка.

0 На фиг. 1 и 2 показаны структурные схемы; на фиг. 3 и 4 - примеры выполнения предлагаемого операционного усилителя по пунктам 1 и 2; на фиг. 5 - результаты моделирования АЧХ и ФЧХ усилителя по про5 грамме PSPICE.

Усилитель по пункту 1 (фиг. 1) состоит из дифференциальной пары полевых транзисторов 1 и 2, истоки которых соединены и подключены к первому выводу токозадаю0 щего элемента 3, второй вывод которого соединен с первой шиной питания; элемента 5 токовой нагрузки, первый вывод которого соединен с высокоомным входом повторителя 6 напряжения, а второй вывод соеди5 нен с второй шиной питания; первой группы 7 полевых транзисторов, соединенных последовательно и включенных между стоком транзистора 1 и второй шиной питания, второй группы 4 полевых транзисторов, соеди0 ненных последовательно и включенных между стоком транзистора 2 и первым выводом элемента 5 токовой нагрузки, и формирователя 8 сдвига уровня входного сигнала, вход которого соединен с шиной входного

5 сигнала, а выходы с затворами транзисторов групп 7 и 4. Входами операционного усилителя являются затворы транзисторов 1 и 2 (входы 1 и 2), а выходом - низкоомный выход повторителя 6.

0

Усилитель по пункту 2 (фиг. 2) отличается от усилителя по пункту 1 тем, что в него введен дополнительный элемент 9 токовой нагрузки, включенный между стоком по5 следнего транзистора в группе 7 и второй шиной питания, а также дополнительный повторитель 10 напряжения, высокоомный вход которого соединен со стоком последнего транзистора в группе 7, а низкоомный выход является вторым выходом усилителя,

инверсным по отношению к первому выходу.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на параллельно-последовательном усилении входного сигнала последовательно включенными полевыми транзисторами. В предлагаемом устройстве по пункту 1 усиление входного сигнала осуществляется транзистором 2 и группой 4 последовательно включенных транзисторов. В предлагаемом устройстве по пункту 2 усиление входного сигнала осуществляется транзисторами 1 и 2 и двумя группами 7 и 4 последовательно включенных транзи-, сторов. Осуществление принципа параллельно-последовательного усиления достигается с помощью формирователя 8 сдвига уровня входного сигнала, выходы которого соединены с соответствующими затворами транзисторов групп 7 и 4, а вход (вход 3) подключен к сигнальной шине. Формирователь вырабатывает управляющие напряжения, отличающиеся от входного сигнала величиной постоянной составляющей и задающие активный режим для всех транзисторов, подключенных к его выходам. Благодаря тому, что входной сигнал параллельно подается на затворы усиливающих транзисторов и последовательно на их истоки, усиление нарастает оттранзисто- ра к транзистору, причем на его величину решающее влияние оказывает нагрузка 5, а в устройстве по пункту 2 и нагрузка 9, а вклад тскозадающего элемента 3 не столь значителен.

Для сравнения следует отметить, что в операционном усилителе, выполненном на дифференциальном каскаде с положительной обратной связью, на коэффициент усиления в значительной мере влияет сопротивление как элемента токовой нагрузки, так и токозадающего элемента. Кроме того, при увеличении коэффициента усиления в таком операционном усилителе увеличивается его неустойчивость, что является ограничивающим фактором для коэффициента усиления.

Указанный параллельно-последовательный принцип усиления обеспечивает и второе преимущество предлагаемого устройства перед известным - повышение быстродействия, которое обусловлено тем, что цепь усиления сигнала в предлагаемом устройстве короче, чем в известном, и не включает выходной повторитель напряжения, подключенный к емкости нагрузки. Отсутствие положительной обратной связи в ме улучшает также и фазочастотные характеристики устройства.

Дополнительным преимуществом предлагаемого усилителя является больший линейный диапазон усиливаемого сигнала. Это связано с тем, что в известном в точке 5 соединения истоков транзисторов дифференциальной пары сигнал уже усилен и значительно больше входного, а потому они находятся под сильно отличающимися смещениями. В предлагаемом устройстве на0 пряжение на общих истоках транзисторов дифференциальной пары, как и в обычных дифференциальных усилителях равно примерно половине разности входного и опорного сигналов, т.е. отличие в смещениях

5 незначительно.

Примеры выполнения предлагаемого операционного усилителя на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки представлены на фиг. 3 и 4. В этих схемах

0 каждый из источников 3,5 и 9 тока выполнен в виде трёх последовательно включенных транзисторов, затворы которых соединены с истоками предыдущих транзисторов, что обеспечивает увеличение выходного сопро5 тивления источника тока. Истоковые повторители 6 и 10 реализованы по схеме, обеспечивающей повышенный коэффициент передачи, и содержат цепи сдвига уровня выходного сигнала на основе цепочек

0 диодов. Формирователь 8 сдвига уровня входного сигнала выполнен на основе исто- кового повторителя и цепочки диодов, обеспечивающих повышение уровня входного сигнала таким образом, что все транзисто5 ры, подключенные к выходам формирователя, работают в активном режиме.

В каждой из представленных схем усиление осуществляется тремя последовательно соединенными транзисторами.

0 включенными в цепи нагрузки дифференциального каскада. Они обеспечивают коэффициент усиления, равный приблизительно (70 дБ). Частотные характеристики устройства по пункту 1 совпадают с частотны5 ми характеристиками устройства по пункту 2. Общие амплитудно-частотная и фазоча- . стотная характеристики представлены на фиг. 5. Они рассчитаны по программе PSPICE. В расчетах использовалась модель

0 транзистора, настроенная на реальные характеристики приборов.

Изобретение может быть использовано для реализации ИС операционных усилителей с полосой единичного усиления свыше

5 1ГГц.

Формула изобретения 1. Операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах, содержащий дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах,

затворы которых являются первым и вторым входами устройства, а общая истоковая цепь подключена к первому выводу токоза- дающего элемента, второй вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом между стоком первого полевого транзистора и второй шиной питания включена первая группа п последовательно соединенных полевых транзисторов, а также элемент токовой нагрузки, первый вывод которой соединен с второй шиной питания, второй вывод - с входом выходного повторителя напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и быстродействия, введены формирователь сдвига уровня входного сигнала, вход которого является третьим входом устройства, а между стоком второго полевого транзистора и вторым выводом элемента

токовой нагрузки включена вторая группа п последовательно соединенных полевых транзисторов, причем затворы полевых транзисторов первой и второй групп под- ключены к соответствующим выходам формирователя сдвига уровня входного сигнала.

2. Усилитель по п. 1,отличающийся тем, что сток n-го полевого транзистора первой группы соединен с второй шиной питания через дополнительный элемент токовой нагрузки, точка соединения которого со стоком п-гр полевого транзистора первой груп- пы подключена к входу дополнительного выходного повторителя напряжения, выход которого является инверсным по отношению к выходу выходного повторителя напряжения.

1

лл

Г-см sr

см

S § э Ј«§ «

. см

11%

§§«

40

Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к аналоговым интег- ральным схемам, и может быть использовано в аналоговых ЭВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления и быстродействия. Операционныйусилительсодержит дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах 1 и 2, токозадающий элемент 3, первую группу из последовательно соединенных полевых транзисторов 4i, 42, ..., 4п элемент 5 токовой нагрузки, выходной повторитель 6, вторую группу полевых транзисторов 7i, 72, .... 7П, формирователь 8 сдвига уровня входного сигнала, дополнительный элемент токовой нагрузки, дополнительный выходной повторитель. Цель достигается за счет подключения затворов полевых транзисторов первой и второй групп 4i, 42, .... 4П и 7i, 72i ... 7П к соответствующим выходам формирователя 8 сдвига уровня. 1 з. п. ф-лы, 5 ил. С/ с

20

О

Т О

10 Ю6 Ю7 fOs 10 ЈГц

Фиг. 5

V