Операционный усилитель Советский патент 1980 года по МПК G06G7/12 

Изобретение относится к обдасти радиотехники,- вычислительной техники, средств автоматики, телемеханики и мож быть применено для построения регулируемых источников тока, в амплитудных модуляторах, аналоговых умноз«ителях, системах АРУ, компараторах, аналоговых вычислительных машинах, системах автоматического регулирования и т.п. Известен операционный усилитель, сог стоящий из двух дифференциальных каскадов, цепи смещения уровня, усилителя мощности и построенный с использованием пассивных резистивных нагрузок 1 j Наличие пассивных нагрузок обусловливает увеличение числа усилительных каскадов. увеличивает потребляемую мощ ность, снижает усиление и устойчивость работы вследствие увеличения числа фозо инверсных каскадов. Применение стабилитронов и резисторов в цепи смещения уровня приводит к ограничению функциональных возможностей, уменьшению -частотного диапазона и увеличению уровня шума всегчэ усилителя. Кроме этого, в известном операционном усилите -; имеется значительный температурный дрейф электрических параметров усилителя. Известен также операционный усилитель на транзисторах одного типа проводимости, содержащий входной и промежуточный каскадь, выполненные по дифференциальной схеме с генераторами тока, каскады смещения уровня с цепью темпера турной компенсации и мощный выходной каскад, имеющий диф(|юренциальный выход 2 . Усилитель выполнен с использовашем резистивных нагрузок, ограничивающих частотный диапазон и надежность усидите ля. Увеличение числа фазоинверсных каскадов снижает помехоустойчивость усилителя и увеличивает потоебляемую. мощность. Наиболее близким по технической сущности к предложенному является операционный усилитель, содержащий две пары транзисторов с противоположным типом проводимости, при этом база входного транзистора, каждой пары является входом onepaimoiffloro усилителя, эмиттер входного транзистора соединен с эмиттером выходного транзистора прры противоположного типа проводимости, базы выходных транзисторов подключень( к источнику тока и двухкаскадный уси,штель мощности, каждый каскад которого выполнен на двух дифференциально-включенных Транзисторах-инверторах противоположного типа проводимости, коллекторы которь Х являются выходом операционного усилителя, эмиттер каждого транзистораинвертора соединен с базой, а база - с коллектором транзисторов токовой защиты эмиттеры которых подключеш к соответствующе(иу полюсу источника питания, со диненному через соответствующие резисторы смещения с эмиттерами TpattsHCTOров-инвергоров каждого каскада усилител мощнрсти з} . К недостаткам этого операционного усилителя следует отнести низкую выходную мощность (не более 200 мвт), малое быстродействие и недостаточную точность из-за высокого температурного дрейфа (20-30 мкВ/°С ). Цель изобретения - увеличение выходной мощности повыщение точности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в оператдионный усилитель введены Транзисторы смещения уровня и нагрузочные термостабилизируклцие диоды, при этом коллектор входного транзистора ка дои пары соединен с первым выводом пе вого и второго нагрузочных терм(х;табилизирующ диодов соответственно с базой первого и второго транзистора смещения уровня противоположного типа про водимости, эмиттеры первого и второго Транзисторов смещения уровня подключены к источнику питания, а коллекторы- к базам транзисторов-инверторов противоположного типа провод11мости соответс венно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые и выводы первог и второго нагрузочных термостабилизирующих диодов соединены с источником питания через соответствующие резисторы смещения, коллекторы выходных тран зисторов каждой пары подключены соответственно к )ятьему и четвертому нагрузочным тep nx;тaбилизиpy oщим диодам и к базе соответственно третьего и чет794 вертого транзисторов смеще шя уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры второго и третьего транзисторов смещения уровня соединены с источником питания, а коллекторы - с базами транзисторов - инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы третьего и четвертого нагрузочных термостабилизирующих диодов подключены к источнику питания. На чертеже показана принципиальная электрическая схема операционного усилителя. Операционный усилитель состоит из двух пар транзисторов 1, 2, 3 и 4 с противоположным типом проводимости, при этом транзисторы 1 и 2 являются входными транзисторами пары, а транзисторы 3 и 4 - выходными транзисторами пары нагрузочных термостабилизирующих диодов 5,6,7 и 8;транзисторов 9, 10, 11 и 12 смещения уровня, источника тока 13, дифференциально-включенных транзисторов-инверторов 14 и 15 противоположного типа проводимости, транзисторов 16 и 17 токовой защиты резисторов 18 и 19 смещения перво-го каскада усилителя 20 мощности, транзисторов-инверторов 21 и 22 противоположного типа проводимости, транзисторов 23 и 24 токовой защиты и резисторов 25 и 26 смещения второго каскада усилителя 27 мощности. Эмиттеры входных транзисторов 1 и 2 пары соединены соответственно с эмиттерами Выходных транзисторов 3 и 4 пары противоположного типа проводимости. объединенные между собой базы выход транзисторов 3 и 4 подключены к регулируемому термостабильному источнику тока 13; 28 - внещний задающий резистор источника тока 13. Коллекторы транзисторов 1 и 2 соединены с нагрузочными термостабилизирующими диодами 5 и 6 и базами транзисторов 9 и 10 смещения уровня противоположного типа проводимости. Вторые выводы диодов 5 и 6 через никзоомные резисторы 29 и 30 смещения подключены к положительному полюсу источника питания. Коллектор транзистора 9 соединен с базой транзистора-инвертора 15 первого каскада усилителя 2О мощности. Коллектор транзистора 10 соединен с базой транзистора-инвертора 22 второго каскада усилителя 27 мощности. Прк этом проводимость транзисторов-инверторов 15 и 22 аналогична проводимости входных транзисторов 1 и 2. Кол лекторы выходных транзисторов 3 и 4 соединены с нагрузочными термсстабилизирующими диодами 7 и 8 и базами транзисторов 11 и 12 смещения уровня с противоположным i типом проводимости Вторые выводы диодов 7 и 8 подключены к отрицательному полюсу источника питания. Коллектор транзистора 11 соединен с базой транзистора-инвертора 21 второго каскада усилителя 27 мощности а коллектор транзистора 12 соединен с базой транзистора-инвертора 14 первого каскада усилителя 20 мощности. При это проводимость транзисторов-инверторов 1 и 21 аналогична проводимости выходных транзисторов 3 4 пары. Коллекторы транзисторов-инверторов 14, 15 и 21, 22 попарно соединены ме |Ду собой и образуют дифференциальный выход усилителя. Резисторы 18, 19, 25 и 26 смещения и, соответственно, транзисторы 16 17, 23 и 24 образуют токовую защиту выходных каскадов операционного усилителя. Работа усилителя происходит следующим образом. При подаче на входы усилителя входн го сигнала он усиливается транзисторами 1,2 и 3, 4, включенными по дифференциа ной схеме , причем усиление сигнала про исходит как вверх (коллекторы транзисторов 1 и 2) так и вниз (коллекторы транзисторов 3 и 4). Усиленные по току входные сигналы с коллекторов транзисторов 1, 2 и 3, 4 подаются соответственно на базы транзисторов 9, 1 и 11, 12 смещения уровня инвертируются ими с их коллекторов подаются в фаза на базы транзисторов 15, 22 и 21, 14 фазоинверсных выходных каскадов. На соединенных коллекторах транзисторо 14, 15 и 21, 22 усиленные сигналы складываются в фазе, причем сигналы на выходах усилителя противофазны между собой. Поэтому мсщность, выделяющаяся в нагрузке, включенной между выходами усилителя, удваивается. Симметрия плеч выходных каскадов обеспечивает высокую линейность усилителя. Для. расщирения функциональных возможностей операционного усилителя его электрический режим задается внещним -резистором 28, что обуславливает работу в различных режимах и с различной выходной мощностью. При поступлении на входы усилителя сигналов помех общего вида, т.е. синфазных сигналов, возникающих при воздействии внешних электро-магнитных полей, колебаниях температуры окрущающей среды, помех в цепях источников питания и т.д. на базы транзисторов 1 и 2, 3 и 4, 9 и 10, 11 и 12 попадают соответственно сигналы, близкие по амплитуде и одинаковые по фазе. Затем синфазные сигналы с коллекторов транзисторов 9 и 12, 10 и 11 соответстветю поступают в противофазе на базы транзисторов 15 и 14, 21 и 22 и на их коллекторах компенс11руются. Кроме этого, малое усиление помех общего вида обуславливается включением баз транзисторов 3 и 4 в цепь источника тока 13, обладающего высоким выходным импедансом. Таким образом помехоустойчивость усилителя, а следовательно, и его точность значительно повышаются. Выходная мощность усилителя при использовании соответствующего теплоотвода составляет 100-200 Вт, а коэффициент подавления синфазного сигнала 100-140 дб. Введение диодной термостабилизации цепей смещения уровня (диоды 5,6,7 и 8) во входном дифференциальном каскаде обеспечивает высокую термостабильность усилителя, а компенсация нестабильности на его выходах вследствие предложенного построештя схемы значительно снижает общий температург ый дрейф усилителя. Так, температурный дрейф напряжения смещения нупя предложенного усилителя не превышает 1-3 мкВ/ С. Поскольку при построении схемы усилителя транзисторы используются как усилители тока, т.е. как усилители, обладающие низким входным и высоким выходным сопротивлениями, а также вследствие введения полной симметрии схемы относительно источников питания, помехоустойчивость усилителя по цепям питания высока и составляет 5-10 мкВ /В. Исключение высокоомных пассивных нагрузок и симметричное распределение рассеиваемой мощности в выходных каскадах усилителя (транзисторы 14, 21 и 15, 22) обусловливает оптимальный температурный режим усилителя, при котором исключается локальный перегрев отдельных компонентов и последующий их отказ, т.е. предложенное оптимальное построение схемы усилителя позволяет значительно повысить его надежность. 77 Формула изобретения Операционный усилитель, содерж,9щий две пары транзисторов с противоположным типом проводимости, при этом база вход- ного транзистора каждой пары является входом операционного усилителя, эмиттер входного транзистора соединен с эмиттером выходного транзистора пары противоположного типа проводимости, базы выходных транзисторов подключены к источнику тока, и двухкаскадный усилитель мощности, каждый каскад которог выполнен из двух дифференциально-включенных транзисторах-инверторах проти юположного типа проводимости,, коллектор которых являются выходом операционного у лителя, эмиттер каждого транзистора-инвертора соединен с базой, а база - с ко лектором транзисторов токовой згвдиты, эмиттеры которых подключены к соответствующему полюсу источника питания, со диненному через соответствующие резисторы смещения с эмиттерами транзисторов-инверторов каждого каскада усилителя мощности, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности, повышения точности и быстродействия, в него введены транзисторы смещения уровня и нагрузочные термо- стабили.зируклцие диоды, при этом коллектор входного транзистора каждой пары соединен с первым выводом первого и второго нагрузочнь Х термостабилизирующих диодов соответственно с базой первого и второго транзистора смеще98кия уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры первого и второго транзисторов смещения уровня подключены к источнику питания, а коллекторы к базам транзисторов-инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводьт первого и второго нагрузочных термостабилизирующих диодов соединены с источником питания через соответствующие резисторы смещения, коллекторы выходных транзисторов каждой пары подключены соответственно к третьему и четвертому нагрузочным термостабилизируюшим диодам и к базе соответственно третьего и четвертого транзисторов смещения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры второго и третьего транзисторов смещения уровня соединены с источником питания, а коллекторы - с базами транзисторов-инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы третьего и четвертого нагрузочных термостабилизируюших диодов подключены к источнику питания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Интегральный операционный усилитель 1УТ402, 2.Авторское свидетельство СССР №414705, кл. Н 03 F 3/34, 1971. 3.Половников Д. Е. Рещающие усипители М., Энергия, 1973, 3. 220-221, 232-233 (прототип).

бо/юие нумjf