Операционный усилитель Советский патент 1979 года по МПК G06G7/12 

(54) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к области авт 4атики и вычислительной техники Известны операционные усилители (СУ), с модуляцией сигнала, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией (МДМ) 1 и 12. Недостатком известных РУ с МДМкгшалом являются недостаточно малые значения величин напряжения смещени нуля (Е), температурного напряжения смещения нуля () входного тока (вх, а также недост точно высокое входное сопротивление . Известен также операционный .усилитель, содержаский дифференциаль ный усилитель, инверт фукхций вход которого через первый RC-фильтр подключен к входу усилителя, а неинвертируюгций вход через BTopcrft RC-фильтр соединен со стоком ключевого МДП-транзистора, исток которого связан с ишной нулевого потенциёша, ключевой двухэатворный МДП транзистор, подключенный параллель,. но третьему КС-фильтру, соединённому со входом усилителя переменного тока, и генератор управляющих импульсов, первый выход которого подключе к первому затвору ключевого двухзатворного мда-транэйстбра 3J. Принцип ра66ты так6 г6 ОУ состоит в том, что постоянная и самая низкочастотная составля1рщая1 входного напряжения модулируется модулятором, усиливается усилителем переменного тока, затем усиленные импульсы демрдулируютсй 1емодулятором и с помощью фильтра выделяе.тся постоянная составляющая напряжения, которая поступает на нёинвертирующий вход основного дифференциального СУ. С помощью этого усилителя происходит сложение низкочастотной .сЪставляющеЙ сигнала с высокочастотной составляющей, поступающей на инвертирующий вход через конденсатор, и их дальнейшее усиление. Недостатком известного является значительные величины напряжения смещения нуля, температурного дрейфа напряжения смещения нуля, входного тока и недостаточно высокое значение полосы пропускания МД -канала что снижает точность недостаточно высокого значения полосы пропускания. Целью изобретения являе- ся повыше ние точности и расширения полосы пропускания.

Для этого в усилитель введены элемент задержки, олновибратор, инвертор-формирователь и дополнительный усилительный каскад, вход которого подключен к выходу усилителя переменного тока, а выход через введанный разделительный конде.нсатор к стоку ключевого МДП-транзистора, затвор которого через последовательно со не иные одновибратор и Элемент задержки подключен ко второму

выходу генератора управляющих импульсов, третий выход которого через инвертор-формирователь связан со вторым затвором ключевого двухзатворного МДП-тр нзистора.

На чертеже изображен предлагаемый усилитель, функциональная схема.

Операционный усилитель состоит из дифференциального усилителя 1, модулятора 2, выполненного на ключевом двухзатворном МДП-транзисторе 3 с резистором 4, первого RC-фильтра 5, усилителя 6 переменного тока, демодулятора 7, содержащего разделительный конденсатор 8 и ключевой МДПтранзистор 9, второго RC-фильтра 10, генератора 11 управляюсих импульсов .

К выходу усилителя 6 переменного тока подключен дополнительный усилительный каскад 12 с глубокой обратно связью и с малым выходным сопротивлением. В усилитель введен одновибратор 13, подключенный входом к Генератору 11 импульсов, а выходомчерез элемент 14 задержки - к затвору ключвого МДП-транзистора 9. Второй затво ключевого двухэатворного МДП-транзистора соединен с выходом инвертора 1-формирователя 15. Между входом усилителя переменного тока и генера,то1за управляющих импульсов установле электростатический экран 16. На входе дифференциального усилителя 1 установлен третий.РС-Лильтр 17.

Операционный усилитель работает следующим образом. , . .

При подаче управляющих импульсов от генератора 11 на первый завтор двухзатворного МДП-транзистора 3 он поочередно отпирается и запирается, и таким образом осуществляется модуляция постоянной и, самой низкочаст:отной составляющей входного напряжения Инвертор-формирователь 15 служит для подачи на второй затвор двухзатворного МДП-транзистора 3 малого ПОСТОЯННОГО смещения и импульсов, .противофазных относительно импуль-; сов первого затвора. Благодаря этому удается в значительной степени компенсировать паразитные импульсы

от переднего и заднего фронтов управ ляющих импульсов, что приводит к уменьшению величины входного тока И его дрейфа. НС-фильтр 5 исключает :постоянную .составляющую модулирован.ного сигнала. Далее модулированный сигнал усиливается усилителем 6 переменного тока. Введение на выходе усилителя переменного тока усилительного каскада 12 с глубокой обратной связью обеспечивает малое выходное сопротивление усилительного каскада. Это приводит к тому, что на конденсаторе 8 происходит запоминание мгновенного значения выходного напряжения усилительного каскада, предшествующего моменту размыкания ключевого МДП-транзистора 9. Это позволяет избежать вредный эффект усреднения паразитных импульсов мо дулятора. Введенный в усилитель одновибратор 13 обеспечивает формирование более коротких (по сравнению с импульсами генератора 11) импульсов, отпирающих ключевой МДП-транзис0 тор 9, благодаря чему он размыкается до возникновения паразитного импульса, который обусловлен задним фронтом импульса, управляющего ключевым двухзатворньом МДП-транзистором 3, а замыкается после окончания импульса .вызванного передним фронтом. При этом полностью исключается демодуляция паразитных импульсов, а значит и составляющие Е, и dEo/dT, обусловленные паразитными импульсами.

Между стоком и истоком МДП-транзистора 3 введена тепловая связь с малым тепловым сопротивлением, что обеспечивает выравнивающие температур и снижение термо-ЭДС.

Электростатический экран 16 предотвращает проникновение импульсов управления через емкость монтажа в канал усилителя 6 переменного тока и их демодуляцию, т.е. появление

0 постоянной составляющей на выходе при входном сигнале, равной нулю.

Генератор 11 управляющих- импульсов рассчитан на работу, с большой скважностью, что обеспечивает замыкание ключевых МДП-транзисторов 3 и 9 лишь на небольшую часть периода. Благодаря этому возрастает входное сопротивление усилителя на постоянном токе (пропорционально скважности 0 импульсов), увеличивается запас, устойчивости операционного усилителя и одновременно расширяется полоса пропускания МДП -канала, так как в большую часть периода ключи разомкнуты, и, следовательно, канал МДП пропускают сигнал как Усилитель низкой частоты. В этом одно из принципиальных отличий предлагаемой схемы от принятого за прототип и ,,Других аналогичных схем с применением большой скважности управляющих импульсов.

Сглаженное фильтром низкочастотнре напряжение поступает на неинвертирующий вход основного диффереици 5 ального операционного усилителя 1. с помощью этого усилителя происход сложение низкочастотной составляющ сигнала с высокочастотной составля щей, поступающей на инвертирующий вход через RC-фильтр 17 и их дальн шее усиление. Высокая эффективность усилителя смещение нуля удалось снизить с 50-iOO до 0,5-1,0 мкВ, температурн дрейф напряжения смещения нуля с 0,5-1,0 до 0,01-0,03 мкВ/К; входно ток с 200-100 до 2-1 пА температу ный дрейф входного тока с 0,5-1,0. до 0,03-0,1 пА/ К; увеличить входн сопротивление с 200 до 5-10 Мом, п изведение полосы пропускания МДМ к ла на его коэффициент усиления с 5-10 до 1бо-800гЦ. Полученные результаты удалось достигнуть в равных условиях, т.е. при одинаковых используемых элементах, входящих всхему (за исключением отличительных позиций) и при одинаковой частоте преобразования сигнала в канале МДМ. Формула Изобретения Операционный усилитель, содержащий дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого череэ первый RC-фильтр подключен к входу усилителя, а неинвертирующий вход через второй RC-фильтр соединен со стоком ключевого МДП-транзистора, исток которого связан с Ьаиной нулевого потенциала, ключевой дйухзатворный МДП-транзистор, подключеняый параллельно третьему RCфильтру, соединенному со входом уси-лителя переменного тока, и генератор управляющих импульсов, первый выход которого подключен к первому затвору ключевого двухзатворного МДП-транзистора, отличаю-. щ и и с я тем, то, с целью повышения точности и расширения полосы пропускания, в операционный усилитель введены элемент задержки, одновибратор, разделительный конденсатор, инвертор-формирователь и дополнительный усилительный каскад, вход которого подключен к выходу усилителя переменного тока, а выход через разделительный конденсатор - к стоку ключевого МДП-транзистора, затвор которого через последовательно соединенные одновивратор и элемент задержки подключен ко второму выходу генератора управляющих импульсов, третий выход которого через инвертор-формирователь связан со вторьм затвором ключевого двухзатворного МДП-транзистора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Проектирование и применение операционных убилителей, под ред. Дж.Грэма и др., М., Мир , 1974, с.172-186. 2-. Гальперин М.Д. и др.. Транзисорные усилители постоянного тока, ., Энергия, 1972, с.119-125. 3. Полонников Д.С., Решающие силители, М., Энергия, 1973, .163.