Дифференциальный усилитель

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЗГЗ/4 ТЕН У ЕЛЬ ии инстипри Томслюции Знамени ные11 11 , Мир ТЕЛЬ нзисответьного нь эмитте зистопяазы ы госедьк ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТКОЙОПИСАНИЕ ИЗО 4ВТОРСНОМУ СВИД(71) Научно-исследовательстут электронной интроскопииком ордена Октябрьской Реви ордена Трудового Красногполитехническом институтеим. С,М.Кирова(54)(57) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИсодержащий первый и второй трторы, базы которых являются сствующими входами дифференциалусилителя, а эмиттеры подключсоответственно к объединеннымрам третьего и четвертого траров и к объединенным эмиттерамтого и шестого транзисторов, бкоторых объединены н подключек коллекторам четвертого, пяти седьмого транзисторов, базамого транзистора через источнинапряжения смещения подключен соответствующей шине источника питания, к которой также подключена первые выводы первого и второго токозадающих элементов, коллектор третьего транзистора соединен с базой восьмого транзистора, а также девятый транзистор, причем структурапервого, второго и седьмого транзисторов противоположна структуре третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения быстродействия восьмой и девятый транзисторы включены по схеме с общим коллектором, их эмиттеры объединены и подключены к эмиттеру седьмого транзистора, а базы подключены к вторым выводам соответственно первого и. второго. токозадающих элементов, параллельно которым включены введенные в усилитель первый и второй прямосмещенные диоды соответственно, коллектор шестого транзистора соединен с базой девятого транзистора при этом восьмой и девятый транзисторы имеют структуру, одинаковую со структурой третьего, четвертого пятого и шестого транзисторов, а коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами дифференциаль ного усилителя.Изобретение относится к радиоэлектц.ронике и может быть использованов качестве входного каскада в быстро.действующих операционных усилителях.Известен дифференциальный усилитель, содержащий первый и второйвходные транзисторы одной структуры,эмиттеры которых подключены соответственно к первому и второму выходамблока токового смещения И ,10Однако быстродействие в известномдифференциальном усилителе ограничено значительной паразитной емкостью,обусловленной параллельным соединением двух переходов коллектор" 15база транзисторов в блоке токовогосмещения.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности являетсядифференциальный усилитель, содержа" 20щий первый и второй транзисторы, базыкоторых являются соответствующимивходами дифференциального усилителя,а змиттеры подключены соответственнок объединенным эмиттерам третьегои четвертого транзисторов и к объе диненным эмиттерам пятого и шестоготранзисторов, базы которых объединены и подключены к коллекторам четвертого, пятого и седьмого транзисторов,30база седьмого транзистора через источник напряжения смещения подключенак соответствующей шине источника питания, к которой также подключеныпервые выводы первого и второго токо"З 5задающих элементов, коллектор третьего транзистора соединен с базой восьмого транзистора, а также девятыйтранзистор, причем структура первого, второго и седьмого транзисторонпротивоположна структуре третьего,четвертого, пятого и шестого транзисторов Ц .Однако известное устройство обладает сравнительно малым быстродействием,Цель изобретения - увеличениебыстродействия,Поставленная цель достигаетсятем, что в дифференциальном усилите-. 50ле, содержащем первый и второй транзисторы, базы которых являются соответствующими входами дифференциального усилителя, а эмиттеры подключе"ны соответственно к объединенным 55эмиттерам третьего и четвертоготранзисторов и к объединенным эмитте.рам пятого и шестого транзисторон,базы которых объединены и подключенык коллекторам четвертого, пятогои седьмого транзисторов, базаседьмого транзистора через источникнапряжения смещения подключена ксоответствующей шине источникапитания,к которой также подключеныпервые выводы первого и второготокозадающих элементов, коллектортретьего транзистора соединен сбазой восьмого транзистора, а такжедевятый транзистор, причем структура первого, второго и седьмого транзисторов противоположна структуре третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторов, восьмой и девятый транзисторы включены по схеме с общим коллектором, их эмиттеры объедииены и пддключены к эмиттеру седьмоготранзистора, а базы подключены кьвторым выводам соответственно первого и второго токозадающих элементовпараллельно которым включены введенные в усилитель первый и второй прямосмещенные диоды соответственно, коллектор шестого транзистора соединен с базой девятого транзистора, при этом восьмой и девятый транзисто" ры имеют структуру, одинаковую со структурой третьего, четвертого, пятого и шестого транзисторова,коллекторы первого и второго транзисторов являются выходами дифференциального усилителя.На чертеже представлена принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя.Дифференциальный усилитель содержит первый 1 и второй 2 транзисторы активный источник-тока 3, состоящий из третьего 1, девятого транзисторов 4-10, первого 11 и второго 12 токозадающих элементов, первого 13 и второго 14 прямосмещенных диодов и источник 15 напряжения смещения.Дифференциальный усилитель работает следующим образом,При подключении коллекторов первого 1 и второго 2 транзисторов к элементам нагрузки и подаче питания в коллекторных цепях всех транзисторов начинает протекать ток.При условии, что первый 1 н второй 2 транзисторы, третий- шестой транзисторы 4-7 и восьмой 9 и де.вятый 10 транзисторы взаимно согласованы, первый 11 и второй 12 токоза"даюцие элементы одинаковы, а сдвигна базах первбго 1 и второго 2 транзисторов отсутствует, с учетом глубокой обратной отрицательной связипо току в схеме источника тока 3можно записать 51, + 1 Э =21,4 + 21. =ЭБ 8 ЭБЭ4где 1 э,; 3- эмиттерные токи первого 1 и второго 2 тран-зисторов соответственно,14; 1- коллекторные токи соот-ветствующих транзисторов8 - напряжение источника15 напряжения смещения,0 ;.0 ЭБ - прямое смещение базоэмиттерных переходовсоответствующих транзисторов,Р - сопротивление первого11 и второго 12 токо- .задающих элементов,Численные коэФФициенты в выраженияхсоответствуют равенству эмиттерныхплощадей третьего шестого транзисто)ров 4-7.Наличие глубокой отрицательнойобратной связи по току позволяет З 0обеспечить высокое выходное сопротивление источника тока 3 относительнопервого и второго его выходов, которое примерно равно выходному сопротивлению транзистора с общей базой 35при равном выходном токе.и равномпадении на резисторах обратной связипри этом обеспечивается хорошее подавление синФазного сигнала, поданного на входы ДУ. 40Кроме этого, наличие обратнойотрицательной связи и используемаяконФигурация источника тока 3 способствует снижению дрейФа, обусловленного нестабильностью токового-пита: ния, даже при значительной асимметрии в схеме.В режиме малого сигнала частотно-.усилительные характеристики предлагаемого ДУ соответствуют характеристикам известных схем при равныхэмиттерных токах усилительных транзисторов.В режиме большого сигнала запирание одного из усилительных транзисто ров, например 1, приводит к выключению третьего транзистора 4 и уменьшению падения напряжения на первом токозадающем элементе 11. При этом коллекторные токи седьмого 8 и восьмого 9 транзисторов возрастают до значения, которое ограничивается лишь коэФФициентом усиления тока восьмого транзистора 9.Увеличение коллекторного тока седьмого транзистора 8 отражается схемой токового зеркала, выполненной на пятом 6 и шестом 7 транзисторах при этом коллекторный ток шестого транзистора 7 пропорционально возрастает, а падение напряжения на втором токозадающем элементе 12 увеличивается до тех пор, пока основная часть коллекторного тока шестого транзистора 7 не начнет отводиться через второй прямосмещенный диод на шину питания.Поскольку общая точка схемы токового зеркала является одним из выходов источника тока 3 и подключена к эмиттеру второго транзистора 2, то его коллекторный ток значительно возрастает, при этом Функция передачи предлагаемого ДУ примерно соответствует прототипу, однако крутизна передачи в режиме большого сигнала для предлагаемого устройства имеет большее значение.На больших перепадах входного синФазного сигнала запираяцей полярности, когда наличие емкостей коллектор-база третьего 4, шестого 7 и седьмого 8. транзисторов способствует одновременному снижению эмиттерных токов первого 1 и второго 2 транзисторов в равной степени уменьшаются коллекторные токи тре" тьего 4 и шестого 7 транзисторов; уменьшается падение напряжения на первом 11 и втором 12- токозадающих элементах и увеличиваются коллектор" ные токи седьмого 8, восьмьго 9 и девятого 10 транзисторов. Увели-. чение этих токов способствует ускорению заряда паразитных емкостей, причем наличие емкостей коллектор- база третьего 4 и шестого 7 транзисторов способствует возникновению положительной обратной связи. в структуре источника тока 3 и дополнительному увеличению тока, заряжающего паразитные емкости.При этом в отличие от прототипа,. быстродействие которого в режиме большого синФазного сигнала ограничено скоростью перезаряда выходныхемкостей первого и второго блоков токового смещения, быстродействие предлагаемого ДУ ограничивается лишь частотными. свойствами применяемых транзисторов, постоянной времени 5 базовых цепей восьмого 9 и девятого 10 транзисторов с учетом возникающей при запирающих входных сигналах положительной обратной связи и при перепадах напряжения на первом 11 и втором 12 токозадающих элементах не превышающих сотен милливольт, является принципиально более высоким.При использовании предлагаемого ДУ в операционном усилителе с симметричным промежуточным каскадом высокое быстродействие обеспечиваер ся без изменений операционного .усилителя, если только достигнутая 20 скорость нарастания не ограничивает ся другими его каскадами. Однако симметричная структура промежуточного каскада предполагает наличие двух параллельных токовых ветвей, 25 что при основном токопотреблении в этом каскаде, необходимом для улучшения частотных свойств операционного усилителя, делает его недостаточно экономичным. 30Поэтому в предлагаемом ДУ предус. мотрена возможность осуществления симметричного усиления тока .в операционных усилителях содержащих несимметричные промежуточные каскады, при этом несимметричный промежуточный каскад приобретает свойства двухтактного усилителя. Для этого в источнике тока 3 предусмотрены дополнительные выходы, к которым 40 могут подключаться входы усилителей тока, используемых в качестве динамической нагрузки промежуточного. кас,када, устанавливаемых, вместо традиционных пассивных токостабилизаторов или вместе с ними. При этом необходимая токовая симметрия в каскадах операционного усилителя в уравновешенном режиме и в режиме большого сигнала легко обеспечивается обычными методами интегральной схемотехники.Двухтактная структура промежуточного каскада, образованная при использовании предлагаемого ДУ, позволяет обеспечить высокое быстродействие операционного усилителя, симметрию предельных скоростей нарастания и высокую нагрузочную способность без снижения экономичности.Следует отметить, что источник тока 3 является устойчивым, не увеличивает числа полюсов малосигнальной амплитудно-частотной характеристики операционного усилителя и не требует дополнительных цепей коррекции е Применение резисторов в качествепервого и второго токозадающих элементов является предпочтительнымввиду меньшей их собственной емкости и возможности ограничения выходного тока ДУ на допустимом уровне,однако при необходимости первыйи второй резисторы могут быть заменены токостабилизаторами, приэтом суммарный ток смещения первогои второго транзисторов в уравновешенном режиме равен .удвоенной суммеих выходных токовПрименение предлагаемого ДУцелесообразно в операционных усилителях любого типа, при этом улучшение их быстродействия не сопровождается ухудшением других параметров,в том числе экономичности и точностипо входу,1124427 едактор Л. Веселовск Корректор Г. Решетйи Тираж 861твенного комитета СССРбретений и открытийЖ-.35, Раущская наб д, 4 Закаэ дписио иал ППП "Патент", г. Ушгород, ул. Проектна 297/44НИИПИ Государпо делам из03, Москва,оставцтель И, Водяхинаехред Т,Маточка