Операционный усилитель

Операционный усилитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к микроэлектронике , более конкретно к аналоговым интегральным схемам, и может быть использовано в аналоговых ЭВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления и быстродействия. Операционныйусилительсодержит дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах 1 и 2, токозадающий элемент 3, первую группу из последовательно соединенных полевых транзисторов 4i, 42, ..., 4п элемент 5 токовой нагрузки, выходной повторитель 6, вторую группу полевых транзисторов 7i, 72, .... 7П, формирователь 8 сдвига уровня входного сигнала, дополнительный элемент токовой нагрузки, дополнительный выходной повторитель. Цель достигается за счет подключения затворов полевых транзисторов первой и второй групп 4i, 42, .... 4П и 7i, 72i ... 7П к соответствующим выходам формирователя 8 сдвига уровня. 1 з. п. ф-лы, 5 ил. С/ с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 Н 03 F 3/45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ дхрдз

АиаУ

ВТРд1

Входа

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4805127/09; 4805126/09 (22) 22,03.90

{46) 07,05.92. Бюл. N 17 (71) Московский институт электронной техники (72) В. И. Суэтинов, В, И. Старосельский, В.

Г. Апарин и Л. Н. Кравченко (53) 621.375.024(088.8) (56) lEEE Journal of Solid.— State circuits, 1987, vol. SC — 22, по. 6, рр. 971-981. (54) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к аналоговым интег- . ральным схемам, и может быть использовано в аналоговых 3ВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП.

+ Unz. Ж 1732427 А1

Цель изобретения — повышение коэффициента усиления и быстродействия. Операционный усилитель содержит дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах 1 и 2, токозадающий элемент 3, первую группу из последовательно соединенных полевых транзисторов 41, 4z, ..., 4>,элемент 5 токовой нагрузки, выходной повторитель 6, вторую группу полевых транзисторов 71, 72, ..., 7>, формирователь 8 сдвига уровня вход.ного сигнала, дополнительный элемент токовой нагрузки, дополнительный выходной повторитель, Цель достигается за счет подключения затворов полевых транзисторов первой и второй групп 41, 42, ...,:4 и 71, 7ъ ... 7> к соответствующим выходам формирователя 8 сдвига уровня. 1 з. и. ф-лы, 5 ил.

1732427

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к аналоговым интегральным схемам, и может быть использовано в аналоговых ЭВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП, Целью изобретения является повышение коэффициента усиления и быстродействия, Новизна предлагаемого изобретения по пункту 1 формулы изобретения обусловлена тем, что в операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах и содержащий дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах, затворы которых являются первым и вторым входами устройства, а общая истоковая цепь подключена к первому выводу токозадающего элемента, второй вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом между стоком первого полевого транзистора и второй шиной питания включена первая группа и последовательно соединенных полевых транзисторов, а также элементе токовой нагрузки, первый вывод которого соединен с второй шиной питания, второй вывод — с входом выходного повторителя напряжения, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента усиления.и быстродействия, введены формирователь сдвига уровня входного сигнала, вход которого является третьим входом устройства, а между стоком второго полевого транзистора и вторым выводом элемента токовой нагрузки включена вторая группа и последовательно соединенных полевых транзисторов, причем затворы полевых транзисторов первой и второй групп подключены к соответствующим выходам формирователя сдвига уровня входного сигнала.

Новизна предлагаемого изобретения по пункту 2 обусловлена тем, что в операционном усилителе по пункту 1 сток и-го полевого транзистора первой группы соединен с второй шиной питания черездополнительный элемент токовой нагрузки, точка соединения которого со стоком и-го полевого транзистора первой. группы подключена к входу дополнительного выходного повторителя напряжения, выход которого является инверсным по отношению к выходу выходного повторителя напряжения.

Указанная совокупность отличительных признаков предлагаемого операционного усилителя позволяет за счет подачи управляющих напряжений одновременно на затворы полевых транзисторов первой и второй групп стабилизировать напряжение сток — исток на каждом из них за исключени10

50 ем n-ro полевого транзистора в каждой группе и добиться положительного эффекта— увеличить коэффициент усиления и повысить быстродействие.

В предлагаемом операционном усилителе высокий коэффициент усиления достигается другим методом, чем в известных операционных усилителях на полевых транзисторах. 8 основу этого метода положено использование паоаллельно-последовательного принципа усиления. Сущность этого принципа заключается в применении для усиления последовательно включенных полевых транзисторов и подаче входного сигнала одновременно на затворы этих транзисторов и на исток первого из них.

Усиленный сигнал снимается со стока последнего транзистора, к которому подключена нагрузка.

На фиг. 1 и 2 показаны структурные схемы; на фиг. 3 и 4 — примеры выполнения предлагаемого операционного усилителя по пунктам 1 и 2; на фиг. 5 — результаты моделирования АЧХ и ФЧХ усилителя по программе PSPICE.

Усилитель по пункту 1 (фиг. 1) состоит из дифференциальной пары полевых транзисторов 1 и 2, истоки которых соединены и подключены к первому выводу токозадающего элемента 3, второй вывод которого соединен с первой шиной питания; элемента

5 токовой нагрузки, первый вывод которого соединен с высокоомным входом повторителя 6 напряжения, а второй вывод соединен с второй шиной питания; первой группы

7 полевых транзисторов, соединенных последовательно и включенных между стоком транзистора.1 и второй шиной питания, второй группы 4 полевых транзисторов, соединенных последовательно и включенных между стоком транзистора 2 и первым выводом элемента 5 токовой нагрузки, и формирователя 8 сдвига уровня входного сигнала, вход которого соединен с шиной входного сигнала, а выходы с затворами транзисторов групп 7 и 4. Входами операционного усилителя являются затворы транзисторов 1 и 2 (входы 1 и 2), а выходом — низкоомный выход повторителя 6.

Усилитель по пункту 2 (фиг, 2) отличается от усилителя по пункту 1 тем, что в него введен дополнительный элемент 9 токовой нагрузки, включенный между стоком последнего транзистора в группе 7 и второй. шиной питания, а также дополнительный повторитель 10 напряжения, высокоомный вход которого соединен со стоком последнего транзистора в группе 7, а низкоомный выход является вторым выходом усилителя, 1732427

55 инверсным по отношению к первому выходу

Принцип действия предлагаемого устройства основан на параллельно-последовательном усилении входного сигнала последовательно включенными полевыми транзисторами. В предлагаемом устройстве по пункту 1 усиление входного сигнала осуществляется. транзистором 2 и группой 4 последовательно включен н ых транзисторов. В предлагаемом устройстве по пункту

2 усиление входного сигнала осуществляется транзисторами 1 и 2 и двумя группами 7 и 4 последовательно включенных транзи-, сторов. Осуществление принципа параллельно-последовательного усиления достигается с помощью формирователя 8 сдвига уровня входного сигнала, выходы которого соединены с соответствующими затворами транзисторов групп 7 и 4, а вход (вход3) подключен к сигнальной шине. Формирователь вырабатывает управляющие напряжения, отличающиеся от входного сигнала величиной постоянной составляющей и задающие активный режим для всех транзисторов, подключенных к его выходам. Благодаря тому, что входной сигнал . параллельно подается на затворы усиливающих транзисторов и последовательно на их истоки, усиление нарастает оттранзистора к транзистору, причем на его величину решающее влияние оказывает нагрузка 5, а в устройстве по пункту 2 и нагрузка 9, а вклад токозадающего элемента 3 не столь значителен.

Для сравнения следует отметить, что в операционном усилителе, выполненном на дифференциальном каскаде с положительной обратной связью, на коэффициент усиления в значительной мере влияет сопротивление как элемента токовой нагрузки, так и токозадающего элемента. Кроме того, при увеличении коэффициента усиления в таком операционном усилителе увеличивается его неустойчивость, что является ограничивающим фактором для коэффициента усиления.

Указанный параллельно-последовательный принцип усиления обеспечивает и второе преимущество предлагаемого устройства перед известным — повышение быстродействия, которое обусловлено тем, что цепь усиления сигнала в предлагаемом устройстве короче, чем в известном, и не включает выходной повторитель напряжения, подключенный к емкости нагрузки. Отсутствие положительной обратной связи в схеме улучшает также и фазочастотные характеристики устройства.

Дополнительным преимуществом предлагаемого усилителя является больший линейный диапазон усиливаемого сигнала.

Это связано с тем, что в известном в точке

5 соединения истоков транзисторов дифференциальной пары сигнал уже усилен и значительно больше входного, а потому они находятся под сильно отличающимися смещениями. В предлагаемом устройстве на10 пряжение на общих истоках транзисторов дифференциальной пары, как и в обычных дифференциальных усилителях равно примерно половине разности входного и опорного сигналов, т.е. отличие в смещениях

15 незначительно.

Примеры выполнения предлагаемого операционного усилителя на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки представлены на фиг. 3 и 4. В этих схемах

20 каждый из источников 3, 5 и 9 тока выполнен в виде трех последовательно включенных транзисторов, затворы которых соединены с истоками предыдущих транзисторов, что обеспечивает увеличение выходного сопро25 тивления источника тока. Истоковые повторители 6 и 10 реализованы по схеме, обеспечивающей повышеннь|й коэффициент передачи, и содержат цепи сдвига уровня выходного сигнала на основе цепочек

30 диодов. Формирователь 8 сдвига уровня входного сигнала выполнен на основе истокового повторителя и цепочки диодов, обеспечивающих повышение уровня входного сигнала таким образом, что все транзисто35 ры, подключенные к выходам формирователя, работают в активном режиме.

В каждой иэ представленных схем усиление осуществляется тремя последовательно соединенными транзисторами, 40 включенными в цепи нагрузки дифференциального каскада. Они обеспечивают коэффициент усиления, равный приблизительно

3 10 (70 дБ). Частотные характеристики устройства по пункту 1 совпадают с частотными характеристиками устройства по пункту

2. Общие амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики представлены на фиг. 5, Они рассчитаны по программе

PSPlCE, В расчетах использовалась модель транзистора, настроенная на реальные характеристики приборов.

Изобретение может быть использовано для реализации ИС операционных усилителей с полосой единичного усиления свыше

1ГГц.

Формула изобретения

1. Операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах, содержащий дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах, 1732427

ЮХ44 2

Фиг.2 затворы которых являются первым и вторым входами устройства, а общая истоковая цепь подключена к первому выводу токозадающего элемента. второй вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом между стоком первого полевого транзистора и второй шиной питания включена первая группа и последовательно соединенных полевых транзисторов, а также элемент токовой нагрузки, первый вывод кЬторой соединен с второй шиной питания, второй вывод — с входом выходного повторителя напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и быстродействия, введены формирователь сдвига уровня входного сигнала, вход которого являетея третьим входом устройства, а между стоком второго полевого транзистора и вторым выводом элемента токовой нагрузки включена вторая группа и последовательно соединенных полевых: транзисторов, причем затворы полевых транзисторов первой и второй групп под5 ключены к соответствующим выходам формирователя сдвига уровня входного сигнала.

2.Усилитель поп,1, отлича ющийся

10 тем,чтосток n-ro полевого транзистора первой группы соединен с второй шиной питания через дополнительный элемент токовой нагрузки, точка соединения которого со стоком и-го полевого транзистора первой груп15 пы подключена к входу дополнительного выходного повторителя напряжения, выход которого является инверсным по отношению к выходу выходного повторителя напряжения.

1732427

/72

&ад У

8s00 1

8х00 3

i732427

spy 108 дг erg

Составитель В.Сузтинов

Техред М.Моргентал Корректор P.Ïåòðoâà

Редактор Г.Гербер

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ i588 Тираж Подписное

ВНИИПИ Гасударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113О35, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5