Операционный усилитель

 

Использование: в сверхширокополосных устройствах связи, автоматики, измерительной и вычислительной техники, для повышения площади усиления при одновременном увеличении запаса по фазе и уменьшении времени установления переходного процесса. Сущность изобретения: в операционном усилителе, выполненном на полевых транзисторах, содержащем дифференциальный каскад на первом и втором транзисторах, подключенных источниками к шине отрицательного напряжения через первый генератор тока, стоками через динамические нагрузки - к шине положительного напряжения, причем динамическая нагрузка одного плеча выполнена на последовательно соединенных первом и втором транзисторах, а динамическая нагрузка другого плеча выполнена на последовательно соединенных третьем транзисторе и втором генераторе тока, истоковый повторитель, состоящий из последовательно соединенных и включенных между шинами положительного и отрицательного напряжения четвертого, пятого транзисторов, диодного элемента и третьего генератора тока, введены последовательно соединенные и включенные между шиной положительного напряжения и истоком пятого транзистора генератор тока и диодный элемент, общей точкой подключенные к затвору третьего транзистора. 2 ил.

Изобретение относится к аналоговой технике и может быть использовано в сверхширокополосных устройствах связи, автоматики, измерительной и вычислительной техники.

Построение сверхширокополосных электронных устройств от нуля до единицы и более ГГц, использующих основные и специализированные аналоговые функции (ОАФ и САФ), крайне затруднено без соответствующих операционных усилителей (ОУ) в интегральном исполнении. Современные интегральные микросхемы на основе кремниевой технологии могут быть усовершенствованы, но не настолько, чтобы служить основой перспективных сверхширокополосных аналоговых устройств (сумматоров, умножителей, активных безиндуктивных фильтров, генераторов, прецизионных УВХ, фазовращателей, ограничителей, прецизионных масштабных усилителей, функциональных генераторов и т.п.).

Известные ОУ, выполненные на основе кремниевой технологии (см. С. Соклоф. "Аналоговые интегральные схемы", М. "Мир", 1988, с. 414-478, 33) имеют типичную частоту единичного усиления f₁ от 1 до 100 МГц при фазовом запасе 45^o и дальнейшее улучшение этих показателей ограничивается возможностью элементной базы.

Одним из возможных средств улучшения указанных параметров является использование арсенидогаллиевых полевых транзисторов с затвором Шоттки при создании интегральных схем ОУ, граничные частоты которых значительно превышают 10 ГГц.

Из известных схем ОУ на таких транзисторах наиболее близкой по технической сущности, взятой в качестве прототипа, является схема с одинарным дифференциальным каскадом (см. "Электроника", N 4, 1989 г. стр. 20 22). Реализация ее на нормально открытых полевых транзисторах с 0,2 мкм затворах, созданных электронно-лучевым методом на арсенидогаллиевых подложках, полученных молекулярно-эпитаксиальным методом, позволила получить беспрецидентные параметры: частота единичного усиления f₁=10 ГГц; фазовый запас ϕ=35° 35^o; коэффициент усиления на нулевой частоте f₀ 60 дБ.

Операционный усилитель, представленный упрощенной схемой на фиг. 1а, содержит дифференциальный каскад на входных полевых транзисторах, объединенные истоки которых подключены через транзисторный генератор стока к шине отрицательного напряжения, причем нагрузкой в левом плече являются два последовательно соединенных транзистора, нагрузкой в правом плече являются транзисторный генератор тока и транзистор, сток выходного транзистора в правом плече каскада подключен к затвору нагрузочного транзистора правого плеча каскада, к выходным клеммам каскад подключен через истоковый повторитель. Особенностью схемы является двуступенчатое включение нагрузок и стоковая обратная связь на входных транзисторах, обеспечивающих максимальную площадь усиления (коэффициент усилениях полоса частот).

Однако, как показало математическое моделирование работы такой схемы с различными параметрами транзисторов, ОУ обладает минимальным запасом по фазе и критичен к допусковому разбросу параметров эквивалентной схемы транзисторов при максимальной частоте единичного усиления и относительно большим временем установления переходного процесса. Это обстоятельство объясняется тем, что проходная емкость нагрузочного транзистора правого плеча дифференциального каскада (Cзс) прямо шунтирует стоковый узел входного транзистора левого плеча дифференциального каскада, обуславливая дополнительный сдвиг по фазе высокочастотной части спектра выходного сигнала, что равнозначно снижению фазового запаса при единичном коэффициенте усиления.

Построение сверхширокополосных устройств на основе операционного усилителя требует повышенной устойчивости работы усилителя на предельных частотах и уменьшение времени установления переходного процесса, достигаемых увеличением фазового запаса.

Решить поставленную задачу можно используя предлагаемый операционный усилитель, который, как и прототип, выполнен на полевых транзисторах и содержит дифференциальный каскад на первом и втором входных транзисторах, истоки которых соединены и через первый генератор тока подключены к шине отрицательного напряжения, первую и вторую динамические нагрузки, при этом первая динамическая нагрузка выполнена на первом и втором транзисторах, исток первого транзистора соединен со стоком первого входного транзистора, сток с истоком второго транзистора, сток которого подключен к шине положительного напряжения, вторая динамическая нагрузка выполнена на третьем транзисторе, сток которого соединен с шиной положительного напряжения, исток с затвором второго транзистора и через второй генератор тока с затвором первого транзистора и стоком второго входного транзистора, а также истоковый повторитель, выполненный на соединенных последовательно по постоянному току между шинами положительного и отрицательного напряжения четвертом и пятом транзисторах, включенных по схеме с общим стоком, первом диоде и третьем генераторе тока, затворы четвертого и пятого транзисторов подключены соответственно к затворам второго и первого транзисторов, при этом анод и катод первого диода являются соответствующими выходами операционного усилителя.

В отличие от прототипа анод первого диода через введенный второй диод соединен с затвором третьего транзистора, который через введенный четвертый генератор тока подключен к шине положительного напряжения.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Все признаки, включенные в формулу изобретения, являются необходимыми и достаточными для достижения цели. Действительно, благодаря введению дополнительной цепочки повторения выходного сигнала дифференциального каскада со сдвигом постоянного уровня "вверх" и подключение затвора третьего транзистора (повторителя напряжения) к общей точке четвертого генератора тока и анода второго диодного элемента освобождает сток входного транзистора первого (левого) плеча дифференциального каскада от паразитного емкостного индуктирования, тем самым обеспечивается возможность увеличения фазового запаса и уменьшения времени установления переходного процесса.

Среди схем ОУ, обеспечивающих повышенный запас по фазе при единичном коэффициенте усиления, отсутствуют технические решения, решающие задачу подобным образом. Поэтому признаки отличительной части формулы изобретения являются неизвестными, что позволяет в свою очередь сделать заключение о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема прототипа ОУ; на фиг. 2 представлена принципиальная схема заявляемого ОУ (обозначения, используемые на фиг. 1, соответствуют обозначениям фиг. 2).

ОУ на нормально открытых полевых транзисторах с затвором Шоттки содержит дифференциальный каскад на транзисторах 1, 2, затворы которых образуют входы Вх₁ и Вх₂ ОУ, истоки подключены к шине отрицательного напряжения питания 3 через генератор 4, стоки подключены к шине положительного напряжения питания 5 соответственно через транзисторы 6, 7, образующие первую динамическую нагрузку, и генератор тока 8 с последовательно подключенным транзистором 9, образующие вторую динамическую нагрузку. Причем транзистор 6 подключен истоком к стоку транзистора 1, затвором к выходу генератора 8 и стоку транзистора 2, вход генератора тока 8 подключен к истоку транзистора 9 и затвору транзистора 7, а также содержит истоковый повторитель, выполненный на транзисторах 10, 11, диодном элементе 12 и генераторе тока 13, при этом транзистор 10 стоком подключен к шине положительного напряжения питания, затвором ко входу генератора тока 8, истоком к стоку транзистора 11, который затвором подключен к выходу генератора тока 8, истоком к первой выходной клемме Вых₁ и через прямосмещенный диодный элемент 12 подключен ко второй выходной клемме Вых₂ и ко входу генератора тока 13, выход которого подключен к шине отрицательного напряжения питания 3. ОУ снабжен цепочкой из дополнительного генератора тока 14, подключенного входом к шине положительного напряжения питания 5, выходом подключенного к затвору транзистора 9 и дополнительного диодного элемента 15, анодом подключенного к выходу генератора тока 14 и катодом подключенного к первой выходной клемме Вых₁.

ОУ выполнен на нормально открытых полевых транзисторах с затвором Шоттки (не исключена возможность выполнения ОУ на нормально закрытых транзисторах) и диодных элементах в виде последовательно включенных диодов Шоттки.

ОУ работает следующим образом. На шину 5 приложено положительное напряжение питания, а на шину 3 отрицательное. При равенстве напряжений на входных клеммах Вх₁ и Вх₂ через оба плеча дифференциального каскада текут одинаковые токи, равные току генератора 8, а сумма этих токов равна току генератора 4. Сумма токов истокового повторителя на транзисторах 10, 11 и генератора тока 14 составляет величину тока генератора 13. Диодный элемент 12 подобран по напряжению отсечки тока и дифференциальному сопротивлению на прямой ветви ВАХ таким образом, что при равенстве напряжений на входных клеммах Вх₁ и Вх₂ на второй выходной клемме Вых₂ напряжение равно нулю. При тех же условиях диодный элемент 15 подобран таким, что напряжение на его аноде, подаваемое на затвор транзистора 9, обеспечивает активный (пологая часть ВАХ) режим работы этого транзистора, то есть напряжение между затвором и истоком больше напряжения отсечки тока транзистора. При подаче дифференциального сигнала на входные клеммы Вх₁ и Вх₂ ток в первом плече дифференциального каскада в противофазе с током во втором плече стремится изменить свое значение, что незамедлительно сказывается на изменении потенциала на затворе транзистора 11 и в силу положительной обратной связи, обусловленной работой цепочки из элементов 14 и 15, изменение напряжения на входе генератора 8 повторяется. Таким образом, рабочая точка реального транзистора генератора тока 8, имеющего отрицательно невысокое дифференциальное сопротивление, стабилизируется по напряжению, что эквивалентно повышению его дифференциального сопротивления и в итоге - повышению коэффициента усиления ОУ.

Механизм получения высокого коэффициента усиления в схеме прототипа (см. фиг. 1) и заявляемой схеме (см. фиг. 2) подобны за исключением того, что в прототипе положительная обратная связь осуществлена перемычкой стокового узла транзистора 1 и затвора транзистора 9 без какой-либо развязки. Последнее обстоятельство надо понимать так, что проходная емкость затвор-сток Сзс транзистора 9 достаточно велика и паразитно шунтирует узел стока транзистора 1 и это обуславливает фазовую задержку сигнала на предельно высоких частотах, близких к частоте единичного усиления. Этого недостатка лишена заявляемая схема ОУ, где сигнал обратной связи берется от истокового повторителя, имеющего низкое внутренне сопротивление (исток транзистора 11, анод диодного элемента 15).

Для подтверждения существенного преимущества заявляемого ОУ было проведено сравнительное моделирование обеих схем в системе РSPICE-2 с использованием различных моделей полевых транзисторов с затвором Шоттки. При этом каждая схема предварительно оптимизировались для достижения максимально высоких значений параметров ОУ, но основные параметры моделей полевых транзисторов и диодов Шоттки оставались неизменными. Обнаружено, что заявляемая схема обладает запасом по фазе на 25^o больше прототипа при прочих равных условиях. Детальное моделирование выявило, что при одинаковых моделях активных элементов заявляемый ОУ имеет почти в 2 раза меньше время установления переходного процесса. Например 1,8 нс против 3, 4 нс при полной отрицательной обратной связи ОУ и 1,4 нс против 2,6 нс без обратной связи ОУ, что является большим достоинством при реализации конкретных устройств на основе ОУ.

Формула изобретения

Операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах, содержащий дифференциальный каскад на первом и втором входных транзисторах, истоки которых соединены и через первый генератор тока подключены к шине отрицательного напряжения, и первой и второй динамических нагрузках, при этом первая динамическая нагрузка выполнена на первом и втором транзисторах, исток первого транзистора соединен со стоком первого входного транзистора, сток с истоком второго транзистора, сток которого подключен к шине положительного напряжения, вторая динамическая нагрузка выполнена на третьем транзисторе, сток которого соединен с шиной положительного напряжения, исток с затвором второго транзистора и через второй генератор тока с затвором первого транзистора и стоком второго входного транзистора, а также истоковый повторитель, выполненный на соединенных последовательно по постоянному току между шинами положительного и отрицательного напряжения четвертом и пятом транзисторах, включенных по схеме с общим стоком, первом диоде и третьем генераторе тока, затворы четвертого и пятого транзисторов подключены соответственно к затворам второго и первого транзисторов, при этом анод и катод первого диода являются соответствующими выходами операционного усилителя, отличающийся тем, что анод первого диода через введенный второй диод соединен с затвором третьего транзистора, который через введенный четвертый генератор тока подключен к шине положительного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2