Операционный усилитель

(54) (57) ОПЕРАЦИ держащий входной скад, одно плечо на первом и втор рах разной струк рых объединены и Рующим входом оп теля, истоки " об дному вывод ора, стокины к о резист структуры,чены исГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР НОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Сб. Ядерная электроника. Вып.3,Теория и цроектирование электроннойаппаратуры физического эксперимента. - М., Энергоиздат, 1981, с.27-30.Патент СНА 9 4229705,кл. Н 03 Р 3/45, 1980. ННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ содифференциальный какоторого выполнено м полевых транзистоуры, затворы кото являются неинвертирационного усилиъепинены и подключеу корректирующего соединены соответстИзобретение относится к области усилительной техники, в частности к операционным усилителям, и может быть использовано в аналоговых устройствах вычислительной техники, систем связи и ядерной электроники,Известен операционный усилитель, содержащий последовательно соединенные два дифференциальных каскада и выходной двухтактный повторитель напряжения, причем каждый дифференциальный каскад выполнен на двух полевенно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повтори теля напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых . транзисторах разной структуры, затво-. ры которых объединены и являются инвгртирующим входом операционного уси" лителя, истоки - объединены и подключены к другому выводу корректирующего резистора, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений и повышения быстродействия, введены третий и четвертый генераторы тока, входы которых соединены соответственно со стоками третьего а н четвертого полевых транзисторов, а выходы соответственно с входами второго и первого. генераторов тока, при этом между точкой соединения истоковС первого и второ го полевых транзисторов и входом двухтактного повторителя напряжения введенкорректирую" щий конденсатор,вых транзисторах одинаковойв цепях истоков которых вклюточники тока.Известный операционный усилительобладает недостаточно высоким быстрдействием.Наиболее близким по техническойсущности к предложенному является орационный усилитель, содержащий,входной дифференциальный каскад одно .плечо которого выполнено на первом ивтором полевых транзисторах разной18262 структуры, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом операционного усилителя, истоки - объединены и подключены к одному вы 5 воду корректирующего резистора, стоки соединены соответственно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повторителя напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых транзисторах раз" ной структуры, затворы которых объединены и являются инвертирующим входом операционного усилителя, истоки объединены и подключены к другому выводу корректирующего резистора, сто", ки соединены с соответствующими источниками питания.Известный операционный усилитель обладает высоким уровнем нелинейных искажений и недостаточным быстродействием.Г1 Цель изобретения - уменьшение не линейных искажений и повышение быстродействия. Дпя этого в операционный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, одно плечо которого выполнено на первом и втором полевых транзисторах разной структуры, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом операционного35 усилителя, истоки объединены и подключены к одному выводу корректирующего резистора, стоки соединены соответственно с входами первого и второго генераторов тока, выходы которых подключены к входу двухтактного повторителя напряжения, а другое плечо выполнено на третьем и четвертом полевых транзисторах разной структуры, затворы которых объединены и являются инвертирующим входом операционного усилителя, истоки объединены и подключены к другому выводу корректирующего резистора, введены третий и четвертый генераторы тока, входы50 которых соединены соответственно со стоками третьего и четвертого полевых транзисторов,.а выходы соответственно с входами второго и первого генераторов тока, при этом между точ 55 кой соединения истоков первого и,вто 1 рого полевых транзисторов и входом двухтактного повторителя напряжения введен корректирующий конденсатор,4На чертеже прецставлена принципиальная электрическая схема предложенного операционного усилителя.Операционный усилитель содержит первый и второй полевые транзисторы 1 и 2 разной структуры входного дифференциального каскада, затворы которых объединены и являются неинвертирующим входом 3 операционного усилителя, первый генератор 4 тока, второй генератор 5 тока, третий генератор 6 тока, четвертый генератор 7 тока, источники 8 и 9 питания соответствующей полярности., корректирующий конденсатор 10, двухтактный повторитель 11 напряжения, выход 12 операционного усилителя,корректирующийре-, зистор 13, третий и четвертый полевые транзисторы 14 и 15.разной структуры входного диеренциального каскада, инвертирующий вход 16 опера" ционного .усилителя.Предлагаемый операционный усилитель работает следующим образом.При отсутствии сигнала на неинвертирующем и инвертирующем входах 3 16 операционного усилителя (ОУ) через первый (третий) и второй (четвер" тый) полевые транзисторы 1(14) и 2(15) протекает начальный сквозной ток 1 величина которого может быть выбрана малой, с использованием в качестве транзисторов 1(14) и 2(15) любых полевых приборов, имеющих разную струк туру, передаточные характеристики которых, при объединении их высокоомных управляющих входов и неинверсных, выходов, имеют общую точку пересече- ния в области малых режимных токов. При этом, если первый и третий, второй и четвертый полевые транзисторы 1, 14 и 2,15 одинаковой структуры, принадлежащие противоположным плечам входного дифференциального каскада (ДК), идентичны, ток через корректирующий резистор 13 отсутствует, Сквозной ток, протекающий через третий и четвертый полевые транзисторы 14 и 5 поступает на входы третьего и четвертого генератора 6 и 7 тока, выходные токи которых суммируются на входах соответственно второго и первого генераторов 5 и 4 со сквозным током, протекающим через первый ч второй полевые транзисторы 1 и 2. При абсолютной идентичности плечей входного ДК и всех генераторов тока вы" ходные токи первого и второго гене5 11раторов 4 и 5 тока равны и составляют величину 2 1 п. Поэтому напряжение на входе двухтактного повторителя 11 напряжения, а следовательно, и на выходе 12 ОУ в отсутствие входного сигнала равно нулю.При увеличении частоты Я подаваемого на неинвертирующий вход 3 ОУ, включенного по схеме неинвертирующего повторителя напряжения входного гармонического сигнала, между неинвертирующим и инвертирующим входами3, 16 ОУ растет амплитуда гармонического напряжения ошибки Ч Яд).Так как плечи входного ДК сймметричны, то источник гармонического напряжения ошибки заземлен и действует на неинвертирующем входе 3 ОУ, а инвертирующий вход 16 ОУ отключен от выхода 12 ОУ и заземпен.С неинвертирующего входа 3 ОУ гармоническое напряжение ошибки повторяется на объединенных истоках первого и второго полевых транзисторов 1, 2 и поступает на общую точку соединения корректирующего конденсатора 10 и корректирующего резистора 13.На корректирующем резисторе 13 (К.) напряжение ошибки Чош(Я) преобразуется в ток з.(Я)=Чопз(Ж)/Кк, который через двухтактный токовый повторитель, образованкЫ третьим ичетвертым полевыми транзисторами 14, 5, поступает на входы третьего и четвертого генераторов тока, На выходах третьего и четвертого генерато,ров 6 и 7 ток з. (Я) инвертируется с коэффициентом передачи по току К;= = -1 и поступает на входы соответственно второго и первого генераторов 5 и 4. Сюда же со стоков второго и первого полевых транзисторов 2 и поступают инвертированные по отношению к напряжению ошибки Ч (ЯС) токовые сигналызрс (я") зй(0") з с(я) Чоыф")/1 к+ ЙЧош Я, С кСх1 С+ С где з.(ЯЕ) - ток, возникающий через корректирующий конденсатор 10 (С ), последовательно с которым включена суммарная емкость Ссуществующая иа входе двухтактного повторителя 11 напряжения. На выходах первого и второго генераторов 4, 5 токовый сигналз.псяй)+з. (Ят) =2 з (яС)+з о (6 ЗС)3540 Высокое быстродействие предлагаемого ОУ достигается за счет того,что приращения выходных токов третьего и четвертого полевых транзисторов, вызываемые действием между входамиФОУ парафазного входного сигнала, через третий и четвертый генераторы тока поступают на входы соответственно второго и первого генераторов тока, суммируясь на этих входах с приращениями выходных токов соответственно второго и первого полевых транзисторов. Поскольку максимальные приращения выходного тока полевых транзисторов входного ДК не связаны с величиной стационарного тока 1 а опуФ ределяются предельно-допустимыми импульсными токами 1 , используемыхма фво входном ДК полевых транзисторов, величина максимальной скорости нарастания выходного напряжения предлагаемого ОУ достигает высокого значения Ч= 2 1 /С без УхУДшенияэкономичности предлагаемого ОУ в отсутствие входного сигнала. Повышение быстродействия и улучшение устойчивости предлагаемого ОУ вобласти высоких частот при коэффи-. 182626инвертируется и развивает на емкос-,ти (С+ С ) напряжение П пы, (ИС).Корректирующий конденсатор 10 создает канал корректирующей местной 5отрицательной обратчой связи за счет .того, что ток СШвы(О)/Й через корректирующий конденсатор 10 поступает на объединенные истоки первого и второго полевых транзисторов 1и 2, повторяется на их стоках и через первый и второй генераторы 4 и 5тока поступает на вход двухтактногоповторителя 11 напряжения в противо фазе по отношению к напряжениюУвы (Я). Кроме того, на входе двухтактного повторителя 11 напряженияразвивается сигнал напряжения" выл,г(ИС)=Чпы(бй) С/(С+С), который создается прямым прохождениемвысокочастотного сигнала ошибкиЧ (аС) с объединенных истоков перво-го и второго полевых транзисторов навход двухтактного повторителя 11 напряжения,(ерез корректирующий конденсатор 10. Суммарный сигнал напряжения, возникающий на входе двухтактного повторителя 11 напряжения, повторяется двухтактным повторителем 11 30 напряжения на выходе 12 ОУ.1118262 Таким образом, положительный эффект от внедрения предлагаемого операционного усилителя заключается, с одной стороны, в повышении быстродействия, а с другой, в снижении уровня нелинейных искажений в режиме большого сигнала на высоких частотах, при одновременном уменьшении потребляемой мощности в отсутствие входно-.го сигнала. Это позволяет создавать на основе предлагаемого операционного усилителя высококачественные экономичные усилители мощности с максимальной скоростью нарастания выход" 40 ного напряжения до 6600 В/мкс, уровнем полных нелинейных искажений меньше 5 Х на частотах до 150 мГц, при максимальной выходной мощности гармонического сигнала 1 Вт, потребляе мой мощностью в отсутствие входногосигнала - 150 мВт. циентах передачи с обратной связью,близких 1+1, также создает корректи-рующий конденсатор, который, с одной стороны, осуществляет коррекциюна опережение на фазе, создавая высокочастотный канал прохождения сигналов с неинвертирующего входа ОУ наего выход, с другой стороны, образует канал корректирующей местной отрицательной обратной связи.Коректирующий конденсатор, крометого, вызывает увеличение выходныхтоков первого и второго полевых транзисторов в области высоких частот115на величину емкостного тока(яС)С фкоторый способствует ускоренномуперезаряду суммарной емкости навходе двухтактного повторителя напряжения, а следовательно, приводит к 20увеличению быстродействия предлагаемого ОУ,Корректирующий конденсатор позволяет также устранить нелинейныеискажения формы напряжения на выходеОУ, связанные со сквозной передачейсигналов с неинвертирующего входаОУ на его выход, приводящей при передаче импульсов с крутыми фронтамик возникновению на выходе ОУ пред"импульсов, имеющих противоположнуюполярность относительно полезноговыходного сигнала, а при передачегармонического высокочастотного сигнала большой амплитуды - высокомууровню нелинейных искажений.При воздействии на неинвертирующем входе ОУ перепада напряжения через проходные емкости С первого ивторого полевых транзисторов протекает паразитный ток 3.щ=2 С сдав Ж/Й, который инвертируется йервыми вторым генераторами тока и поступает на вход двухтактного повторителянапряжения. Однако этот паразитныйток не развивает на выходе ОУ паразитного предцмпульса напряжения, поскольку на вход двухтактпого повторителя напряжения с истоков первого и второго полевых транзисторов через корректирующий конденсатор поступает в фазе с полезным сигналом импульсС кС с 1 Чвс (с)ныи ток х Г + С " - , который в первый момент времени превышает величину 3.рд 1)оВ каждом плече входного ДК могут использоваться либо биполярные транзисторы разной структуры с соответствующими цепями смещения между базами, либо различные комбинации полевых и биполярных транзисторов, общим требованием к которым является наличие у пих объединенного неинверсного двухтактного выхода. Кроме того, эти комбинации транзисторов должны работать с малым уровнем нелинейных искажений в режиме большого сигнала на высоких частотах.1118262 Цевкун Редактор Л.Письман Техред Л.Олийнык Коррект Гагарина, 10 Производственно-издател комбинат "Пат 11 г.ужгоро Заказ 4343 Тираж 668,ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., д. 4/5