Операционный усилитель

(56) 1. 1 ЕЕЕ доцгпа 1 оГ Бо 11 й 8 а 1 еС 1 гси 11 э, 1979, чо 1. БС, Р 6,р.р. 970-980. 2. Е 1 есСгопз.с Еп 81 пеег 1 пЕ 1981, чо 1, 53, 9 648, р.р. 95-111 (прототип),(54)(57) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ,содержащий последовательно соединенные входной дифференциальный каскад,выполненный в виде объединенных повходу первого дифференциального каскада с генератором вытекающего тока,которые выполнены на И -канальныхМДП-транзисторах, при этом затворМДП-транзистора генератора вытекающего тока подключен к источнику отрицательного управляющего напряжения,а также с первой динамической несимметричной нагрузкой, выполненной на-канальном ЬЩП- транзисторе, затвори сток которого объединены и являются первым выходом входного дифференциального каскада, и второго дифференциального каскада с генераторомвтекающего тока, которые выполненына р -канальных МДП-транзисторах,:при этом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен кисточнику положительного управляющего напряжения, а также с второй динамической несимметричной нагрузкой,выполненной на и -канальном МДП-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторым выходомвходного дифференциального каскада,и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питания первом р -ка - .нальном МДП-транзисторе и втором П -канальном К 1 П-транзисторе, включенных по схеме с общим истоком, при этом меж - ду затвором и стоком первого р - канального и второго Н -канального МДП-транзисторов включены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и уменьшения потребляелой мощности, введены первый дополнительный генератор втекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненные соответственно на-канальном и П -канальном МДП-транзисторах, второй дополнительный генератор втекающего тока, выполненный на- канальном МДП-транзисторе, а также узел смещения, выполненный в видеП -канального МДП-транзистора, в цепи стока которого включен 11 -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 в .канального МДП-транзисторов выходного каскада, затвор П канального МДП-транзистора узла смещения подключен к затвору второго П -канального МДП-транзистора выходного каскада, а затвор В -канального МДП-транзистора - к затвору МДП-транзистора второго дополнительного генератора втекающего тока, сток которого подключен к затвору первого-канального 1 ЩП-транзисто- . ра выходного каскада, 1099380Изобретение относится к усилительным устройствами предназначенодля использования в усилителях различного назначения, которые являются частью аналоговых и аналогоцифровых быстродействующих интегральных схем на МДП-транзисторах.Известен операционный усилительна МДП-транзисторах, содержащийпоследовательно соединенные входнойдифференциальный каскад, истоковый 10повторитель и выходной двухтактныйкаскад, а также корректирующий конденсатор 11 .Известное устройство обладаетнедостаточно высоким коэффициентом 15усиления и большой мощностью потребления.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяоперационный усилитель, содержащийпоследовательно соединенные входнойдифференциальный каскад, выполненныйв виде объединенных по входу первогодифференциального каскада с генератором вытекающего тока, которые выполнены на П -канальных МДП-.транзисторах, при этом затвор МДП-транзистора генератора вытекающего токаподключен к источнику отрицательногоуправляющего напряжения, а также спервой динамической несимметричной 30нагрузкой, выполненной на р -канальном МДП-транзисторе, затвор и стоккоторого объединены и являются пер-,вым выходом выходного дифференциального каскада, и второго дифференциальнЬго каскада с генератором втекающего тока, которые выполнены на-канальных МДП-транзисторах,приэтом затвор МДП-транзистора генератора втекающего тока подключен кисточнику положительного управляющего напряжения, а также с второйдинамической несимметричной нагрузкой, выполненной на й -канальномМПД-транзисторе, затвор и сток которого объединены и являются вторымвыходом входного дифференциальногокаскада, и выходной каскад, выполненный на последовательно соединенных относительно источника питанияпервом р -канальном МДП-транзисторе 50и втором и -канальном МДП-транзисторе, включенных по схеме с общимистоком, при этом между затвороми стоком первого-канального ивторого Ч -канального МДП-транзисторов включены соответственно первыйи второй корректирующие конденсаторы 21 ..1Известный операционный усилитель обладает недостаточно высоким коэф 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 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 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-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 й -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-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-транзистороввключены соответственно первый и второй корректирующие конденсаторы, введены первый дополнительный генератор втекающего тока, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненные соответственно на р -канальном и О -канальном МДП-транзисторах, второй дополнительный. генератор втекающего тока, выполненный на-канальном МДП-транзисторе, а также узел смещения, выполненный в виде Ь -канального МДП-транзистора, в цепи стока которого включен нканальный МДП-транзистор в диодномвключении, 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 П -канального МДП-транзистора узла смещения подключен к затвору второго О канального МДП-транзистора выходного каскада, а затвор-канальногобота МДП-транзистора - к затвору МДП- транзистора второго дополнительного генератора втекающего тока, сток которого подключен к затвору первого в -канального МДП-транзистора выходного каскада.5На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства.Оперб.ционный усилитель содержит первый дифференциальный каскад 1, выполненный на и -канальных МДП- транзисторах 2 и 3, генератор вытекающего тока, выполненный на и -канальном. МДП-транзисторе 4, первая динамическа.". несимметричная нагруз ка, Выполненная.на-канальном МДП-транзисторе 5 второй дифференциальный каскад б, выполненный на-канальных МДП-.транзисторах. 7 и 8, генератор втекающего тока, выполненный на )/ -канальном МДП-транзисторе 9, вторая инамическая несимметричная нагрузка, выполненная на п - канальном МДП-транзисторе 10, выходной каскад, выполненный на первом р -канальном МДП-транзисторе 11 и на втором И -канальном МДП-транзисторе 12, первый 13 и втЬрой 14 кор- ректирующие конденсаторы, первый до-. полнительный генератор втекающего тока, выполненный на Р -канальном МДП-транзисторе 15, второй дополнительный генератор втекавшего тока, выполненный на р в ,канальном МДП- транзисторе 16, дополнительный генератор вытекающего тока, выполненный на И -канальном ИДП-траизисторе 17, узел смещения, выполненный на И -канальном МДП-транзисторе 18 н р -канальном МДП-транзисторе 19 в диодном включении, источник 20 отрицатель ного управляющего напряжения, источник 21 положительного управляющего напряжения.Операционный усилитель ра ет следующим образома 45Предположим, что генераторы вытекающего и втекающего токов задают токи 23 , а первый дополнительный ,генератор втеканацего тока и дополни-, тельный генератор вытекающего тока - 5 О токи 3 и 5 соответственно; при йОЗ0 через и -канальные МДП-транзисторы 2 и 3 ир -канальные МДП-транзисторы 7 и 8 протекают равные токи 3 , так как высокая нагрузочная способность и большое быстродействие у предлагаемого операционного усилителя легко обеспечиваются и при одинаковых размерах этих транзистороивТок 1 ь через И -канальный МДП-травэистор 10 равен разности токов р -канального ИДП-транзистора 7 и и -ка" иальиого МДП-транзистора 17: Зн3 - 1 . Поскольку ток 1. Усиливается узлом смещения и вторым дополиитель- уи ным генератором втекающего тока (схема стабилизации) в Кс раз(1,=Кс 1 ь ), ток ф -канального МДП- трайзистора 15 выбирается равным 1 = 1 -(к+1)1 ь для того, чтобы ток6 . ср -канального.ИДП-транзистора 5 был равен току 3 п-канального МДП-транзистора 8. При этом через первый э -канальный МДП-транзистор 11 и второйй -канальный ИДП-транзистор 12 выходного каскада протекает начальный тОК 3 ВЫу = ыи И/)= 1 Н /,Ш т ОПРЕ дЕЛяЮщИй МОщНОСтЬ в ПстрЕбЛяЕМуЮ самим операционным усилителем.При увеличении разности потенциалов междувходами операционного усилителя от нуля до 5 Иву ток в цепи ,стока и -канального МДП-транзистора 10 падает на величину, ь 1 ио 1 Зс,1(ь"ву) тнапряжение иа выходе второго диффе.ренциального .каскада уменьшается наьсш (РгФо 1(б ги/110/ 41 н(ь(1 вл Ф, где 13 - коэффициент, равный произведению подвижиости основных носителей в канале на удельную емкость диэлектрика затвора, причем для Р .-канальных МДП-транзисторов ; =5 мкА/Вг а для и -канальных ); =12 мкА/В2 Таким образом, коэффициент усиления второго дифференциального каскада хии -"1 ти /9 а) О, би/Тцохавываетсав 0,5 1 Т 7 ии 1-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 ЬОО возрастает благодаря действию И -канального МДП-транзистора 2 на величину, равную -123 " 19/2), Уменьшение тока И -кайального МДП-транзистора 10 приводит к уменьшению токар -канального МДП-транзистора 16 на Величину ь 16=Ксь 110 и такОму же возрастанию тока р -канального .МДП- транзистора 5,Следовательно, результирующее увеличение тока р -канального МДП-транзисто" .ра 5 составлает;иии"ДДгиибихт, и а коэффициент усиления первого диф:ференциального каскада равен Кчв, -(9 т/9 ий 0,5 ч/и йхт). Поэтому 1 при прочих равных условиях предложенный операционный усилитель превосходит по коэффициенту усиления операционный усилитель-прототипа не менее чем в 0,54 Ц 1(0,5 К+1) раз. Это различие увеличивается с ростом отношения токов 111 и коэффициента стабилизации К (111)- 1 (знак равенства соответствует случаю 1 =0).Однако, чем меньше ток 1 н по сравнению .с током 1, тем труднее задать его достаточно точно из-за возможных отклонений Физических параметров ИДП-транзисторов и их топологическихразмерон от своих расчетных значений. Если при ьПд - - 0 ток транзисторов первой (или второй) динамической несимметричной нагрузкиотличается от своего расчетного значения 1 ц на величину ь 1, то при ис пользовании операционного усилителя в реальном устройстве из-за действия отрицательной обратной связи установившееся значение нходного дифференциального напряжения будет отличать ся от нуля. При этом токи транзисторон первой и второй динамических несимметричных нагрузок, а также транзисторов выходного каскада 11 ныранняются, При отсутствии схем 15 стабилизации и сопротивлении нагрузки- со, 1 . =1 и=1 ц +О, 5 А 1 с . Вследствие этого действительное значение начального тока выходного каскада может оказаться н несколько раз боль ше (или меньше)своего расчетного значения 3 ц что может привести к сильному увеличению потребляемой операционным усилителем мощности (или к его неустойчивости).В результате действия схемы стабилизации установившееся значение отклонения 61 токов транзисторов первой и второй несимметричных динамических нагрузок от расчетногозначения 1 ц существенно меньше ЗО 0,5 ь 10 . Действительно, если первоначальное значение отклонения одного иэ этих токов равно 610, то изменение другого тока из-за)действиясхемы стабилизации и отрицательной 35 обратной связи выражено уравнениемКс С 1 о 1 о о оэ40откуда1 0= 1 оКсПри К, =0 имеют Ь 1: 0,5 ь 1, как и45 было показано выше. Таким образом, использование схемы стабилизации с большим значением К позволяет задавать весьма точно даже очень большие отношения токов 11 ц 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 емкостьили разряжать) у предлагаемого операционного усилителя очень велика и растет с увеличением отношения токов 11 ц. Благодаря этому начальный ток через выходной каскад 3 щд 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-транзисторов 5 и 11 становятся равными нули, когда ток й -канального МДП- транзистора 10 возрастает на величину,большую 1)Кс . 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 полуволныВозможен 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 и -канального МДП-транзистора .18 выполняет р -канальный транзистор, а функции р -канальных транзисторов 19 и 16 - и -канальные транзисторы.Таким образом, н предложенном устройстве достигается большое отношение рабочего тока дифференциальных каскадов к току н цепях их нагрузки (1/1 ц 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 схем..Ковальчу Подпи а 4 тная; 4 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. 4 383/4 3 ВНИИПИ Госу по делам 113035, МосТираж 862рственногозобретенийа, Ж, Ра митета СССоткрытий ская наб.,орректор Г. Решетник