Операционный усилитель

Операционный усилитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные входной .дифференциальный каскад, выполненной в виде объединенных по входу первого дифференциального кас-када с генератором вытекающего тока, которые выполнены на П-канальных МДП-транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на р -канальном ВДП- транзисторе,затвор и сток которого объединены и являются первым выходом входного дифференциального каскада, и второго дифференциального каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены на р -канальных МДП-транзисторах,. при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к источнику положительного управляклцего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на и-канальном МДП-транзисторе , затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного дифференциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относи; тельно источника питания первом р -ка-Нальном МДП-транзисторе и втором п -канальном ВДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом между затвором и стоком первогор - канального и второго П-канального ВДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и уменьшения потребляе.лой мощности, введены первый дополнительный генератор нтекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполс S ненные соответственно на р -канальном и и -канальном мда-транзисторах, (Л второй дополнительный генера.тор втекающего тока, выполненный на рканальном МДП-транзисторе, а также узел смещения, выполненный в виде h -канального МДП-транзистора в цепи стока которого включен П -канальный МДП-транзистор в диодном включении, при этом затворы транзисторов первого дополнительного генератора втека-j ющего тока и дополнительного генератора вытекакяцего тока подключены к СО затворам МДП-транзисторов соответCD 00 00 ственно генератора тока и генератора вытекающего тока, стоки - к затворам соответственно первого р -канального и второго

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) Н 03 Г 3 45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР (21) 3590662/18-09 (22) 13.05.83 (46) 23.06.84. Бюл. 9 23 (72) B.H Мышляев, И.В.малышев, С.Н.Лубянов и A.B.ßêoâëåâ (53) 621. 375.024(088.8) (56) 1. IREE Journal of Solid State

Circuits, 1979, vol. $С-14, 9 6, р.р. 970-980.

2. Electronic Engineering>1981, vol. 53, Р 648, р.р. 95-III (прототип) . (5 4 ) (57 ) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, выполненный в виде объединенных по входу первого дифференциального каскада с генератором вытекающего тока, которые выполнены на II-канальных

МДП-транзисторах, при этом затвор

МДП-транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на р -канальном МДП- транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются первым выходом входного дифференциального каскада, и второго дифференциального каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены на р -канальных МДП-транзисторах,: при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к источнику положительного управляюще— го напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на п -канальном МДП-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного дифференциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питания первом р -ка— .нальном МДП-транзисторе и втором lj -канальном ИДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом меж.— ду затвором и стоком первого p — канального и второго tl -канального

МДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и уменьшения потребляелой мощности, введены первый дополнительный генератор втекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненные соответственно íà Р -канальном и II -канальном МДП-транзисторах, второй дополнительный генератор втекающего тока, выполненный на

p — канальном МДП-транзисторе, а также узел смещения, выполненный в виде

П -канального МДП-транзистора, в цепи стока которого включен Н. -канальный

МДП-транзистор в диодном.включении, при этом затворы транзисторов перво-, го дополнительного генератора втека-

1 ющего тока и дополнительного генератора вытекающего тока подключены к затворам МДП-транзисторов соответственно генератора тока и генератора вытекающего тока, стоки " к затворам соответственно первого р -канального и второго П вЂ .канального МДП-транзисторов выходного каскада, затвор П канального МДП-транзистора узла смещения подключен к затвору второго

П -канального МДП-транзистора выходного каскада, а затвор р -канального МДП-транзистора — к затвору

МДП-транзистора второго дополнительного генератора втекающего тока, сток которого подключен к затвору первого р -канального МДП-транзисто- . ра выходного каскада.

1099380

Изобретение относится к усилительным устройствам и предназначено для использования в усилителях различного назначения, которые являются частью аналоговых и аналогоцифровых быстродействующих интегральных схем на МДП-транзисторах.

Известен операционный усилитель на МДП-транзисторах, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, истоковый 30 .повторитель и выходной двухтактный каскад, а также корректирующий конденсатор (1j .

Известное устройство обладает недостаточно высоким коэффициентом 15 усиления и большой мощностью потребления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является операционный усилитель, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, выполненный в виде объединенных по входу первого дифференциального каскада с генератором вытекающего тока, которые выполнены на П -канальных МДП-.транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной Ç0 нагрузкой, выполненной íà р -канальном МДП-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются пер-. вым выходом выходного дифференциального каскада, и второго дифференци" 35 альнЬго каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены на

-канальных МДП-транзисторах,при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к 40 источнику положительного управляющего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на 6 -канальном

МПД-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного дифференциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питания первом р -канальном МДП-транзисторе 50 и втором и -канальном МДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом между затвором и стоком первого р -канального и второго Ч -канального МДП-транзисто- 55 ров включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы (21 . . °

Известный операционный усилитель обладает недостаточно высоким коэф- 60 фициентом усиления и высокой мощностью потребления.

Цель изобретения — повышение коэффициента усиления и уменьшение по.требляемой мощности. 65

Поставленная цель достигается тем, что в операционный усилитель, содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад, выполненный в виде объединенных по входу первого,цифференциального каскада с генератором вытекающего тока, которые выполнены на 1l --канальных КДП-транзисторах,при этом затвор .

МДП вЂ” транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения, а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на р -канальном МДП-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются первым выходом входного дифференциального каскада, и второго дифференциального каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены íà р -канальных МДП-транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен к источнику положительного управляющего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на и -канальном МДПтранзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходом входного дифференциального каскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питания первом

-канальном МДП-транзисторе и втором и -канальном МДП-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом между затвором и,стоком первого р -канального и второго

Ь -канального МДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, введены первый дополнительный генератор втекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненные соответственно íà р -канальном и П -канальном МДП-транзисторах, второй дополнительный. генератор втекающего тока, выполненный на

-канальном МДП-транзисторе, а также узел смещения, выполненный в виде h -канального МДП-транзистора, в цепи стока которого включен h ! канальный МДП-транзистор в диодном включении, при этом затворы транзисторов первого дополнительного генератора втекающего тока и дополнительного генератора вытекающего тока подключены к затворам МДП-транзисторов соответственно генератора втекающего тока и генератора вытекающего тока, стоки — к затворам соответственно первого р -канального и второго 11 -канального МДП-транзисторов выходного каскада, затвор и -канального МДП-транзистора узла смещения подключен к затвору второго и канального МДП-транзистора выходного каскада, а затвор р -канального

1099 380

ИДП-транзистора — к затвору МДПтранзистора второго дополнительного генератора втекающего тока, сток которого подключен к затвору первого р -канального ИДП-транзистора выходного каскада.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства.

Опер ционный усилитель содержит первый дифференциальный каскад 1, выполненный на п -канальных МДПтранзисторах 2 и 3, генератор вытекающего тока, выполненный на л -канальном МДП-транзисторе 4, первая динамическа.".. несимметричная нагруз- 15 ка, Выполненная íà р -канальном

МДП-транзисторе 5, второй дифференциальный каскад 6, выполненный на

-канальных МДП-.транзисторах. 7 и

8, генератор втекающего тока, выполненный íà р -канальном МДП-транзисторе 9, вторая )„инамическая несимметричная нагрузка, выполненная на и - канальном МДП-транзисторе 10, выходной каскад, выполненный на первом р -канальном МДП-.транзисторе 11 и на втором П -канальном МДП-транзисторе 12, первый 13 и втЬрой 14 кор- ректирующие конденсаторы, первый до-. полнительный генератор втекающего тока, выполненный на р -канальном

ИДП-транзисторе 15, второй дополнительный генератор втеки)щего тока, выполненный на р вЂ,канальном ИДПтранзисторе 16, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненный на П -канальном ИДП-транзисторе 17, узел смещения, выполненный на 1)-канальном ИДП-транзисторе 18 н р -канальном МДП-транзисторе 19 в диодном включении, источник 20 отрицатель- 4Q ного управляющего напряжения, источник 21 положительного управляющего напряжения.

Операционный усилитель работает следующим образома 45

Предположим, что генераторы вытекающего и втекающего токов задают токи 23, а первый дополнительный .генератор втекаыацего тока и дополни-, тельный генератор вытекающего тока— токи 3 и 311 соответственно; при

- йУЗ„ 0 через и -канальные ИДП-транзисторы 2 и 3 Hp -канальные ИДП-транзисторы 7 и 8 протекают равные токи ,), так как высокая нагрузочная

1 способность и большое быстродействие у предлагаемого операционного усилителя легко обеспечиваются и при одинаковых размерах этих транзисторо(в

Ток3н через П -канальный ИДП-трав-66 эистор 10 равен разности токов р-канального ИДП-транзистора 7 и и -канального МДП-транзистора 17: Зн 3 — 1 . Поскольку ток1), усиливается узлом смещения и вторым дополиитель- ф5 ь ным генератором втекающего тока (схема стабилизации) в К раз(1,=

К I), )), ток 9 --канального МДПтрайзистора 15 выбирается равным

I = ). †(K+1)Iн для того, чтобы ток

B c р -канального ИДП-транзистора 5 был равен току Э„п-канального МДП-транзистора 8. При этом через первый р -канальный ИДП-транзистор 11 и второй и -канальный ИДП-транзистор 12 выходного каскада протекает начальный ток вью(, = 3)5 jfj4 /gr 1н 9д/в ш опРе деляющий мощность в потребляемую самим операционным усилителем .

При увеличении разности потенциалов между входами операционного усилителя от нуля до () Ив„ ток в цепи стока и -канального МДП-транзистора

10 падает на величину; в1() 1 5 ()t, I (aU))„iI) 9 ! напряжение на выходе второго диффе. ренциального .каскада уменьшается на

В() Ш - ((? фи9)(gZ ) $q()) 1 Н 1 В" В)9 (е) 9 где p коэффициент, равный произведению подвижности основных носителей в канале на удельную емкость диэлектрика затвора, причем для Р .-канальных МДП-транзисторов (; =5 мкА/B

2 а для и -канальных ); =12 мкй/B

Таким образом, коэффициент усиления второго дифференциального каскада

Кааа =(9,/9а) 0,5-((/t«,охавываетоя в 0,5 1 a„ -рав больше, чем в схеме устройства-прототипа. Еще больше различие в коэффициентах усиления первых дифференциальных каскадов этих схем. Действительно, ток р -канального МДП-транзистора 5 при AU» 90 возрастает благодаря действию )) -канального МДП-транзистора 2 на величину, равную -12 3 " Ig>„/2), уменьшение тока П -кайального МДП-транзистора 10 приводит к уменьшению тока р -канального МДП-транзистора 16 на

ВеличинУ 4 11в =К с b 1 jp и такомУ же Во3растанию тока р -канального .МДПтранзистора 5.

Следовательно, результирующее увели чение тока р -канального МДП-транзисто) .ра 5 составляет,ь1ь «10ь5ь((&бь Il), а а коэффициент усиления первого диф ференциального каскада равен Кпд„ (=(91/99) 0,5 1/!в (K+1). поэтомУ

1 при прочих равных условиях предложенный операционный усилитель превосходит по коэффициенту усиления операционный усилитель-прототипа не менее чем в 0,5-1Ц1„(0,5 К+1) раз.

Это различие увеличивается с ростом отношениЯ токов 11 1н и коэффициента стабилизации К (t(I>)- 1 (знак равенства соответствует случаю lS =0).Однако, чем меньше ток Ig по сравнению .с током I, тем труднее задать его достаточно точно из-за возможных отклонений физических параметров

ИДП-транзисторов и их топологических

1099380 ра амеров от своих расчетных значений. Если при ьйд„— - 0 ток транзисторов первой (или второй ) динамической несимметричной нагрузки отличается от своего расчетного значения Il, на величину ь(, то при использовании операционного усилителя в реальном устройстве из-за действия отрицательной обратной связи установившееся значение нходного дифферен— циального напряжения будет отличать- ) 0 ся от нуля. При этом токи транзисторон первой и второй динамических несимметричных нагрузок, а также транзисторов выходного каскада 11 ныранняются. При отсутствии схем )5 стабилизации и сопротивлении нагрузки "н - co ° 1 q =-)ю=1ц+0,5 1о . Вследствие этого действительное значение начального тока выходного каскада может оказаться н несколько раз боль- О ше (или меньше ) своего расчетного значения 3ц„„,, что может привести к сильному увеличению потребляемой операционным усилителем мощности (или к его неустойчивости).

В результате действия схемы стабилизации установившееся значение отклонения й1 токов транзисторов первой и второй несимметричных динамических нагрузок от расчетного значения 1д существенно меньше

0,5 ь10 . Действительно, если первоначальное значение отклонения одного иэ этих токов равно KING, то изменение другого тока из-за)действия схемы стабилизации и отрицательной 35 обратной связи выражено уравнением

Xñ о o Io о

4О откуда

При К =0 имеют gI = 0,5 ь?, как и

1 45 было показано выше. Таким образом, использование схемы стабилизации с большим значением К позволяет задавать весьма точно даже очень большие отношения токов Il T.l, 1000 и выше. 50

Это позволяет получить коэффициент усиления больший, чем у известных операционных усилителей. Способность отдавать значительные токи в реэистивную нагрузку (или отбирать) и быстро 55 заряжать нагрузочную емкость (или разряжать) у предлагаемого операционного усилителя очень велика и растет с увеличением отношения токов2JIll.

Благодаря этому начальный ток через @ выходной каскадJ Rblx и мощность, потребляемая самим операционным усилителем, могут быть существенно снижены. Если сопротивление нагрузки достаточно мало, то при формировании отрицательной полуволны выходного сигнала токи р -канальных МДП-транзисторон 5 и 11 становятся равными нули, когда ток о -канального МДПтранзистора 10 возрастает на величину,большую 1Н)KС . Тогда схема стабилизации перестает влиять на общий коэффициент усиления. Поэтому он несколько уменьшается и становится равным произведению коэффициента усиления второго дифференциального каскада на крутизну второго и -канального МДП-транзистора 12 и сопротивление нагрузки. Однако и при этих условиях коэффициент усиления предлагаемого операционного усилителя остается существенно больше. При формировании положительной полуволны выходного сигнала усиление в результате действия схемы стабилизации сохраняется и общий коэффициент усиления значительно выше, чем при формировании отрицательной полуволны..

Возможен и другой (равноценный) вариант выполнения предлагаемого усилителя, в котором схема стабилизации начального тока выходного каскада действует не с выхода второго дифференциального каскада на выход первого, а наоборот. При этом функции h -канального МДП-транзистора .18 выполняет р -канальный транзистор, а функции р -канальных транзисторов

19 и 16 — n -канальные транзисторы.

Таким образом, н предложенном устройстве достигается большое отношение рабочего тока дифференциальных каскадов к току н цепях их нагрузки (Ii I > 100-1000) при нулевом входном сигнале, обеспечивается возможность увеличения токов через транзисторы выходного каскада в десятки и сотни раз при сравнительно малых входных сигналах. Это позволяет снизить ток выходного каскада при отсутствии внешней резистивной нагрузки, тем самым уменьшив мощность, потребляемую самим операционным усилителем, и повысив его КПД, а в то же время, обеспечить высокую нагруэочную способность и большую скорость перезарядки внешних емкостей. Такой операционный усилитель дает возможность увеличить точность и скорость обработки информации в аналогоных быстродействующих интегральных схемах на МПД-транзисторах и снизить энергозатраты на эту обработку.

Кроме того, улучшается технологичность изготовления высококачественных операционных усилителей за счет их сраннительно простой схемы.

109": 380

Составитель Н.Дубровская редактор И.Ковальчук Техред A. Бабинец Корректор Г. Решетник

Заказ 4 383/4 3 Тираж 862 Подл и сное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная; 4