Операционный усилитель

,80119377 03 Р 3/45 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕТЕЛЬСТВУ выполненный по каскадной схеме и которого изменяется о ряжения по закону гиго синуса, промежуточмежду входом и выходом ючен,корректирующий ко выходной каскад усилен т л и ч а ю щ и й с я выходнои то входного на перболическоный каскад,которого вклденсатор, имощности, о тем, что, смичности и ыстродеист итель тока онденсатор им ителя и. выход кото ным входом одного ди отивофазн н ход д кот го ка 3 3 САР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКР(71) Научно-исследовательский институт электронной интроскопии приТомском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институтеим. С,И.Кирова(56) Авторское свидетельство СССРУ 1124427, кл. Н 03 Е 3/45,29,07.83.Полонников Д.Е. Операционныеусилители: Принципы построения,теория, схемотехника, М,: Энергоатомиэдат, 1983, с. 146, рис. 4,17.(54)(57) 1. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ,содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад,целью повышения эконо- точности при сохранении вия, в него введены усиповторитель тока и включенный между неинвходом операционного .входом усилителя тока, ого соединен с низкоомтокозадающего элемента фференциального каскада, ый выход которого соедим повторителя тока, вью подключен к входу выхо а усиления мощности,1193773 динены и подключены к источнику напряжения смещения, а коллекторы являются первым и вторым выходами токозадающего элемента соответственно,при этом эмиттер первого транзистора подключен к эмиттерам третьегои .пятого транзисторов, эмиттервторого транзистора - к эмиттерамчетвертого и шестого транзисторов,причем база и коллектор четвертогои база третьего транзисторов объединены и подключены к первому выходу токозадающего элемента, второйвыход которого подключен к объединенным базе и коллектору пятого ибазе шестого транзисторов, коллектор третьего транзистора подключенк шине источника питания, аколлектор шестого транзистора является противофазным выходомвходного дифференциального каскада,Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в устройствах с высоким быстродействием.Цель изобретения - повышение эко номичности и точности при сохранении быстродействия.На чертеже представлена принципиальная электрическая схема операционного усилителя. 0Операционный усилитель (ОУ) содержит дифференциальный каскад (ДК) 1, выполненный на первом и втором транзисторах 2 и 3, отражателе тока на транзисторах 4 и 5, третьем, чет вертом, пятом, шестом транзисторах 6-9, токоэадакйий элемент на первом и втором дополнительных транзисторах 10 и 11, источник 12 напряжения смещения, повторитель тока на транзис торах 13.и 14, дополнительный токоэадающий элемент 15, конденсатор 16, усилитель 17 тока на транзисторе 18 и резисторе 19, промежуточный каскад 20 на транзисторах 21 и 22 и ре зисторе 23, выходной каскад 24 усиления мощности, содержащий цепь смещения на диодах 25 и 26 и транзисторы 27 и 28, корректирующий конденсатор 29. 30 2, Усилитель по п.1, о т л и ч а-, ю щ и й с я тем, что входной дифференциальный каскад, выполненный по каскадной схеме и выходной ток которого изменяется от входного напряжения, по закону гиперболического синуса, содержит первый и второй транзисторы, базы котОрых являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим вхбдами операционного усилителя, отражатель тока, вход которого соединен с коллектором второго транзистора, выход - с коллек-. тором первого транзистора, являю-. щимся выходом входного дифференци. - ального каскада, а также третий, четвертья, пятый, шестой трайзисторы и токоэадающий элемент, выполненный на первом и втором дополнительных транзисторах, эмиттеры которых объединены и являются низкоомным входом токозадающего элемента, базы объе 2Операционный усилитель работает следующим образом,В уравновешенном режиме ток смещения первого и второго транзисторов 2 и 3 входного ДК 1 обеспечивается за счет источника 12 напряжениясмещения, выполненного напримерФ Эна двух прямосмещенных диодах, согласованных с первым и вторым дополнительными транзисторами 10 и 11 ис транзистором 18 усилителя тока17, что позволяет обеспечить достаточную термостабильность рабочегорежима входного ДК 1.При условии взаимной согласованности третьего, четвертого, пятогои шестого транзисторов 6-9 и равенства площадей их эмиттеров ток смещения каждого из этих транзисторовравен коллекторному току первогоили второго дополнительных транзисторов 10, 11, а эмиттерные токи первого, второго транзисторов 2 и 3 итранзистора 18 имеют вдвое большеезначение,Для задания необходимого режима транзистора 22 по постоянному току установлен дополнительный токозадающий элемент 15.Режим транзисторов 27 и 28 выходного каскада 24 усиления мощности задается за счет протекания коллекторных токов транзисторов 14 н 22 по цепи смещения на диодах 25 и 26, 5В режиме малого сигнала работа ОУ не отличается от работы известных устройств.При включении ОУ повторителем напряжения механизм передачи сигнала в его каскадах является различным для перепадов входного напряжения противоположных полярностей. На входных перепадах открывающей полярности (т.е. способствующих открыва нию база-эмиттернцх переходов первого и второго транзисторов 2 н 3) для обеспечения высокого быстродействия используются емкостные токи смещения. Эти токи возникают за . 20 счет заряда емкостей коллектор- база третьего транзистора 6 и первого дополнительного транзистора 10 или базовьви токами третьего или шестого транзисторов 6 или 9, при И этом входное сопротивление ОУ на большом сигнале открывающей полярности имеет емкостный характер, а выходные токи входного ДК 1 в режиме переключения ограничиваются лишь 30 мощностью источника сигнала и теоретически не зависят от начального тока смещения первого и второго транзисторов 2 и 3.Скорость заряда корректирующего конденсатора при разомкнутой ООС в этом случае составляетс 11Унн" ю 1,1)фрр40 где Уа ц- скорость заряда корректирующего конденсатора 29;Мв - скорость нарастания входного сигнала;С - величина емкости, шунты- ффрующей соответствующийвход токового смещения;К, - коэффициент усиления токатранзистора 6 или 9, осуществляющего заряд емкости 50С базовым током;С Рр- величина емкости корректирующего конденсатора 29.Поскольку К 1 обычно достаточносе к,велик, отнонение -Н -- лректичео- ИкфрВки всегда получается оольшим единицы, а это означает, что используемая структура входного ДК 1 позволя обеспечить в принципе произвольную скорость отслеживания перепадов входного напряжения открывающей полярности при включении ОУ повторителем напряжения. Достигаемая скорость отслеживания не ограничивается и другими каскадами ОУ, поскольку для рассматриваемой полярности передаваемого импульсного перепада заряд корректирующего конденсатора 29 осуществляется коплекторнцм током транзистора 22, который практически всегда может уравновесить выходной ток входного ДК 1, а выходной каскад 24 усиления мощности имеет двухтактную структуру и не имеет ограничений в скорости отслеживания для передаваемых сигналов любой полярности,Для увеличения быстродействия при передаче перепадов входного напряжения запирающей полярности в состав входного ДК 1 введены конденсатор 16 н усилитель 17 тока, позволяющие обеспечить двухтактный режим работы входного ДК 1.В режиме малого сигнала введение этих элементов не отражается на параметрах ОУ, поскольку сигнал с неинвертирующего входа вводится в объединенные эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов 10 и 11, т.е. синфазно. На большом сигнале эта синфазность нарушается, поскольку при высокой скорости нарастания входного запирающего сигнала первый и третий транзисторы.2 и 6 полностью отключаются и сигнальный ток замыкается с выхода дополнительного усилителя 17 тока через второй, четвертый, шестой транзисторы 3, 7, 9 и транзисторы 5 и 4 на вход промежуточного каскада 20, заряжая, кроме того, паразитные емкости, шунтирующие первый и второй выходы токозадающего элемента входного ДК 1.Скорость заряда этих емкостей и скорость заряда корректирующего конденсатора 29 при включении ОУ повторителем напряжения равны, отку- да где 1,- выходной ток усилителя тока в момент переключения,Св- паразитная емкость, шунтирующая каждый выход токозадающего элемента,Заказ 7323/57 Тираж 871 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раущская наб., д. 4/5Филиал ППП "атент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4 а с учетом того. чтоВь)с Вх О 16 2 гдеЧ 0- скорость нарастания входного запирающего перепада;С 16 - емкость конденсатора 16;К - коэффициент усиления усили 2теля тока 17,Вх О 16 2СК+ 2 Сд Из этого выражения следует, что для обеспечения равных скоростей нарастания на входе и выходе ОУ, необходимо выполнить условие;15 СЬК,7 1которое легко обеспечивается практически без увеличения входной емкости ОУ при К) 1, что всегда имеетместо на практике,При этом минимально необходимаяемкость конденсатора 16 определяется из соотношения 25 Ск, +21 В К 2Для обеспечения К я 1 в ОУ исполь 2зован транзистор 18, входной ток 30 смещения которого замкнут на шину источника питания через резистор 19.Отсутствие гальванической связи между неинвертирующим входом ОУ и входом усилителя 17 тока позволяет устранить неоднозначность входных токов смещения и существенно уменьшить их разность, значительно увеличивая точность ОУ по входу.Входной ДК 1 не содержит однотакт ных цепей, работающих в режиме большого сигнала, что делает его предельно экономичным, потребляющимлишь ток, необходимый для начального смещения усилительных элементов.Связь одного из выходов ДК 1 через повторитель тока на транзисторах 13 и 14 с выходом промежуточного каскада 20 позволяет обеспечитьдвухтактный режим передачи сигналав каскадах ОУ,При этом заряд корректирующегоконденсатора 29 на открывающих перепадах осуществляется с выхода промежуточного каскада 20, а на запирающих - с противофазного выходаДК 1 при сохранении активного режима транзисторов промежуточногокаскада 20, что обуславливает высокое быстродействие ОУ,Обеспечение двухтактного усилителя в промежуточном каскаде 20 позволяет подключить корректирующийконденсатор 29 к его выходу, приэтом обеспечиваются хорошие характеристики установления ОУ при работена емкостную нагрузку.Для исключения значительных помех, возникающих на шинах питанияв момент переключения, корректирующий конденсатор 29 подключен к средней точке диодов 26 и 27,При управлении ОУ по инвертирующему входу его быстродействие такжедостаточно велико, что определяется передаточной функцией входногоДК 1, позволяющей обеспечить значительное усиление по мощности в этомкаскаде.Неинвертирующий вход ОУ в такомрежиме заземлен, при этом наличиеконденсатора 16 и усилителя тока 17не оказывает влияния на характерпередачи сигналов,