Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой

Авторы патента:

Будяков Петр Сергеевич (RU)

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

Серебряков Александр Игоревич (RU)

H03F3/26 - двухтактные усилители; фазовращатели для них (двойные несимметричные двухтактные схемы и фазовращатели для них H03F 3/30)

Владельцы патента RU 2444114:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат заключается в повышении в 8÷10 раз коэффициента усиления по напряжению ОУ при использовании сравнительно низкоомных двухполюсников нагрузки (например, R_н=50 Ом). Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой содержит входной комплементарный дифференциальный каскад, первое и второе токовые зеркала, первый и второй дополнительные транзисторы, первый и второй выходные транзисторы, первый и второй р-n-переходы, первый и второй вспомогательные двухполюсники. 7 ил.

В современной микроэлектронике широко применяются операционные усилители на основе комплементарных входных каскадов и двух токовых зеркал, согласованных с шинами положительного и отрицательного источников питания [1÷6]. Данная архитектура ОУ относится к числу достаточно широкополосных и весьма часто используется в ВЧ и СВЧ аналоговых устройствах. Однако при низкоомных нагрузках (например, волновых сопротивлениях линий связи R_н=50 Ом) такие ОУ имеют невысокие коэффициенты усиления по напряжению (К_у).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ОУ (фиг.1), рассмотренный в статье А.Н.Пилипенко, А.А.Лебедева «Особенности построения широкополосного операционного усилителя с параллельным каналом на основе комплементарной высокочастотной биполярной технологии» // Материалы научно-технической конференции: «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2009, с.35-37. Он содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, согласованное с первой 5 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второе 6 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый 10 и второй 11 последовательно включенные p-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки 12, связанную с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой 5 и второй 7 шинами источника питания.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8÷10 раз коэффициента усиления по напряжению ОУ при использовании сравнительно низкоомных двухполюсников нагрузки (например, R_н=50 Ом).

Поставленная задача решается тем, что в операционном усилителе, фиг.1, содержащем входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, согласованное с первой 5 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второе 6 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый 10 и второй 11 последовательно включенные p-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки 12, связанную с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой 5 и второй 7 шинами источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - общий узел первого 10 и второго 11 p-n-переходов соединен с объединенными выходами первого 4 и второго 6 токовых зеркал и связан с базами первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с базой первого 8 выходного транзистора и через первый 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан с базой второго 9 выходного транзистора и через второй 16 вспомогательный двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, причем коллектор первого 13 дополнительного транзистора связан с входом второго 6 токового зеркала, а коллектор второго 14 дополнительного транзистора подключен ко входу первого 4 токового зеркала.

На фиг.1 приведена схема ОУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, представлена на фиг.2.

На фиг.3 и 4 показаны схемы ОУ-прототипа (фиг.3) и схема заявляемого ОУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3, 4) от частоты. Данные графики показывают, что несмотря на применение низкоомной нагрузки (R_н=50 Ом) в схеме фиг.4 коэффициент усиления по напряжению улучшается в 8÷10 раз в сравнении с К_у известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ОУ.

На фиг.6 показаны графики фиг.5 при наличии в схеме корректирующего конденсатора C_corr=2,5 pF.

На фиг.7 приведены графики частотной зависимости коэффициента усиления ОУ при 100% общей отрицательной обратной связи.

Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой, фиг.2, содержит входной комплементарный дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, согласованное с первой 5 шиной источника питания, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второе 6 токовое зеркало, согласованное со второй 7 шиной источника питания, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 8 и второй 9 выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый 10 и второй 11 последовательно включенные p-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки 12, связанную с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой 5 и второй 7 шинами источника питания. Общий узел первого 10 и второго 11 p-n-переходов соединен с объединенными выходами первого 4 и второго 6 токовых зеркал и связан с базами первого 13 и второго 14 дополнительных транзисторов, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с базой первого 8 выходного транзистора и через первый 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 5 шиной источника питания, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан с базой второго 9 выходного транзистора и через второй 16 вспомогательный двухполюсник соединен со второй 7 шиной источника питания, причем коллектор первого 13 дополнительного транзистора связан с входом второго 6 токового зеркала, а коллектор второго 14 дополнительного транзистора подключен ко входу первого 4 токового зеркала.

В схемах фиг.1 и 2 входной комплементарный дифференциальный каскад 1 реализован по токовой схеме на базе p-n-p-транзисторов 17, 18 и двухполюснике 19, а также n-p-n-транзисторах 20 и 21 и двухполюснике 22. Токовые зеркала 4 и 6 выполняются по классическим схемам. Функции первого 15 и второго 16 вспомогательных двухполюсников могут выполнять резисторы или источники опорного тока.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Статический режим транзисторов и двухполюсников схемы связан с некоторым опорным значением тока I₀ (например, 1 мА) следующими соотношениями:

Если на вход Вх.⁽⁺⁾2 подается положительное напряжение u_вх.2, то это вызывает увеличение напряжения в узле «А» (u_А), а также напряжения на базах транзисторов 8 и 9 и, как следствие, напряжения на нагрузке 12 (u₁₂).

Причем:

Поэтому приращение тока базы (i_б8) транзистора 8:

где β₈ - коэффициент усиления по току базы транзистора 8;

R_н - сопротивление резистора нагрузки 12.

Ток i_б8 делится пополам между p-n-переходом 10 и эмиттером транзистора 13 и через токовое зеркало 6 передается в узел «А». В результате в узле «А» происходит взаимная компенсация двух близких по величине токов i_ПТ2-i_б8, что повышает коэффициент усиления ОУ до уровня:

где α₁₃≈1 - коэффициент передачи по току эмиттера транзистора 13;

К_i12.6≈1 - коэффициент передачи по току второго 6 токового зеркала;

- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 20 и 21 при токе эмиттера I_эi=I₀;

φ_т≈25 мВ - температурный потенциал.

После преобразований (4) можно получить, что

где Т=α₁₃, К_i12.6≤1.

Из (5) следует, что в предлагаемом ОУ при T≈1 коэффициент усиления по напряжению возрастает в сравнении с прототипом в N раз, где

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг.5-7.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент США №5.814.953.

2. Патент США №3.974.455, fig.7.

3. Патент США №5.225.791.

4. Патент США №3.968.451, fig.7.

5. Патент SU №1220105.

6. Пилипенко А.Н. Особенности построения широкополосного операционного усилителя с параллельным каналом на основе комплементарной высокочастотной биполярной технологии: Материалы научно-технической конференции: «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» [Текст] // А.Н.Пилипенко, А.А.Лебедев. - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2009, с.35-37.

Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой, содержащий входной комплементарный дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первое (4) токовое зеркало, согласованное с первой (5) шиной источника питания, вход которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), второе (6) токовое зеркало, согласованное со второй (7) шиной источника питания, вход которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первый (8) и второй (9) выходные транзисторы противоположного типа проводимости, между базами которых включены первый (10) и второй (11) последовательно включенные р-n-переходы, имеющие общий узел, цепь нагрузки (12), связанную с объединенными эмиттерами первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, коллекторы которых соединены с соответствующими первой (5) и второй (7) шинами источника питания, отличающийся тем, что общий узел первого (10) и второго (11) р-n-переходов соединен с объединенными выходами первого (4) и второго (6) токовых зеркал и связан с базами первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов, эмиттер первого (13) дополнительного транзистора связан с базой первого (8) выходного транзистора и через первый (15) вспомогательный двухполюсник соединен с первой (5) шиной источника питания, эмиттер второго (14) дополнительного транзистора связан с базой второго (9) выходного транзистора и через второй (16) вспомогательный двухполюсник соединен со второй (7) шиной источника питания, причем коллектор первого (13) дополнительного транзистора связан с входом второго (6) токового зеркала, а коллектор второго (14) дополнительного транзистора подключен к входу первого (4) токового зеркала.

Изобретение относится к электронике, а именно к операционным усилителям (ОУ) с токовой обратной связью, выполненным по интегральной технологии для использования в устройствах обработки, усиления и аналого-цифрового преобразования видео- и радиосигналов.

Прецизионный операционный усилитель // 2411643

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения. .

Буферный усилитель // 2409889

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности, в структуре входных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения.

Буферный усилитель // 2401509

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности (буферного усилителя), в структуре входных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях.

Буферный усилитель с малым напряжением смещения нуля // 2401505

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, прецизионных повторителях сигналов, драйверов линий связи и т.п.).

Радиационно-стойкий буферный усилитель // 2393625

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, повторителях сигналов с высоким кпд и повышенным петлевым усилением, драйверов линий связи и т.п.).

Быстродействующий буферный усилитель // 2390910

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности (буферного усилителя - БУ), в структуре входных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях, драйверов линий связи.

Двухтактный буферный усилитель // 2390909

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, повторителях сигналов с высоким КПД и повышенным петлевым усилением, драйверов линий связи и т.п.).

Комплементарный двухтактный каскодный дифференциальный усилитель // 2370879

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов. .

Двухтактный каскодный дифференциальный усилитель // 2337469

Комплементарный буферный усилитель // 2444115

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного каскада аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, усилителей мощности, повторителей сигналов, драйверов линий связи и т.п.)

Буферный усилитель // 2446553

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности буферного усилителя (БУ), в структуре входных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например операционных усилителях

Двухтактный усилитель класса ав // 2527185

Изобретение относится к радиоэлектронике, к линейным усилителям звуковых сигналов и может использоваться в любых транзисторных звучащих аппаратах, а также в устройствах контроля, измерения, автоматики и в специализированных микросхемах. Достигаемый технический результат - снижение искажений в широком диапазоне токов сигнала при сохранении высокой температурной стабильности и стабильности при возможном разбросе или дрейфе параметров транзисторов. Двухтактный усилитель класса АВ содержит регулятор напряжения смещения и модуль стабилизации с входящими в него двумя измерителями токов плеч и суммирующим устройством, причем выход модуля стабилизации подключен к входу регулятора напряжения смещения, а также детектор минимального значения суммы токов плеч, выход которого является выходом модуля стабилизации. 2 ил.

Быстродействующий истоковый повторитель напряжения // 2530263

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в различных аналоговых устройствах на полевых и биполярных транзисторах в качестве выходного (буферного) усилителя. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот ИПН при наличии емкости на выходе Сн, а также уменьшение времени установления переходного процесса при импульсном изменении входного напряжения. Быстродействующий истоковый повторитель напряжения содержит первый (1) входной полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу (2) устройства, сток соединен с первой (3) шиной источника питания, а исток связан со второй (4) шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (5) и подключен к выходу устройства (6), паразитную емкость нагрузки (7), включенную по переменному току между выходом устройства (6) и общей шиной источников питания (8). В схему введен дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения (9), вход которого соединен с выходом устройства (6), а выход подключен к истоку первого (1) входного полевого транзистора через дополнительный конденсатор (10). 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Двухтактный усилитель с индуктивной синфазной развязкой // 2538320

Изобретение относится к двухтактным усилителям тока. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления. Двухтактный усилитель содержит первый и второй усилительные элементы (1, 1'), имеющие электрод (2, 2') эмиссии тока, электрод (3, 3') сбора тока и электрод (4, 4') управления током. Электроды (3, 3') сбора тока соединены через соответствующую индуктивность (7, 7') питания с общим питающим напряжением (V+). Электроды (2, 2') эмиссии тока усилительных элементов (1, 1') через соответствующий конденсатор (8, 8') соединены с электродом (3, 3') сбора тока соответствующего другого усилительного элемента (1', 1). Электроды (2, 2') эмиссии тока через соответствующую выходную индуктивность (10, 10') соединены с опорным потенциалом. Индуктивности (7, 7') питания усилительных элементов (1, 1') индуктивно связаны с входными индуктивностями (5, 5') и выходными индуктивностями (10, 10') соответствующего другого усилительного элемента (1', 1). 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Усилитель мощности звуковой частоты // 2635270

Изобретение относится к средствам для усиления мощности звуковой частоты. Технический результат заключается в увеличении уровня выходной мощности звуковой частоты (более 200 Вт) при использовании низкоомной нагрузки (до 1 Ом), при улучшении качества звукового сигнала и увеличении полосы пропускания звуковой частоты. Усилитель мощности звуковой частоты состоит из платы согласования уровня, двух и более идентичных плат согласования выходов, модуля усиления звука, который состоит из двух и более идентичных усилителей мощности звуковой частоты, включенных в параллель и выполненных на интегральных микросхемах с входным сопротивлением (Rin) от 10 до 500 кОм и выходным максимальным током (Ioutmax) от 4 до 30 А, причем количество плат согласования выходов равно количеству усилителей мощности звуковой частоты модуля усиления звука. 6 ил.