Операционный усилитель

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1,736119(51)М. Кл. б 06 Я 7/12 с присоединением заявки РЙ -Государственный комитет(23) П риоритет -Опубликовано 25,05.80. Бюллетень Ло 19Дата опубликования описания 26,05.80 да делам изооретений н открытий(72) Авторы изобретенияВоронежский политехнический институт"=(54) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Изобретение относится к обдасти радиотехники, вычислительной техники, средств автоматики, телемеханики и может быть применено для построения регулируемых источников тока, в амплитудных модуляторах, аналоговых умножителях,5 системах АРУ, компараторах, анапоговыхъвычислительных машинах, системах автоматического регулирования и т.п.Известен операционный усилитель, состоящий из двух дифференциальных каскадов, цепи смещения уровня, усилителя мощности и построенный с использованием пассивных резистивных нагрузок 111. 15Наличие пассивных нагрузок обусловливает увеличение числа усилительных каскадов, увеличивает потребляемую мощность, снижает усиление и устойчивость работы вследствие увеличения числа фозоО инверсных каскадов. Применение стабилитронов и резисторов в цепи смещения уровня приводит к ограничению функциональных возможностей, уменьшению час тотного диапазона и увеличению уровня шума всего усилителя.Кроме этого, в известном операционном усилитеп, имеется значительный температурный дрейф электрических параметров усилителя.Известен также операционный усилитель на транзисторах одного типа проводимости, содержащий входной и промежуточный каскады, вынопненные по дифференциальной схеме с генераторами тока, каскады смещения уровня с цепью темпера турной компенсации и мощный выходной каскад, имеющий дифференциальный выход (2Усипитепь выполнен с использованием резистивных нагрузок, ограничивающихчастотный диапазон и надежность усилителя. Увеличение числа фазоинверсных каскадов снижает помехоустойчивость усилителя и увеличивает потребляемую, мощность,Наиболее близким цо технической сущности к предложенному является операци736 1 3онный усилитель, содержащий две пары транзисторов с противопопожным типом проводимости, при этом база входного транзистора, каждой пары является входом операционного усилителя, эмиттер5 входного транзистора соединен с эмиттером выходного транзистора лррь: противопопожного типа проводимости, базы выходцях транзисторов подключены к источнику тока и двухкаскадный уси,питепь 10 мощности, каждый каскад которого выпопнен на двух дифференциально-включенныхх транзисторах-инверторах противоположного типа проводимости, коппекторы которых являются выходом операционного 15 усилителя, эмиттер каждого транзистораинвертора соединен с базой, а база - с коллектором транзисторов токовой защиты, эмиттеры которых подкпючены к соответствующему попюсу источника питания, сое диненному через соответствующие резисторы смешения с эмиттерами транзисторов-инверторов каждого каскада усипитепя мошнрсти 3К недостаткам этого операционного 25 усилителя следует отнести низкую выходную мощность (не более 200 мвт), малое быстродействие и недостаточнук точность из-за высокого температурного дрейфа (20-30 мкВ/С ), 30Цель изобретения - увеличение выходной мощности повышение точности и быстродействия. Поставпенная цель достигается тем,35 что в операционный усилитель введены транзисторы смешения уровня и нагрузочные термостабилизирующие диоды, при атом коллектор входного транзистора каждой пары соединен с первым выводом пер 40 вого и второго нагрузочных термостабидизируюших диодов соответственно с базой первого и второго транзистора смещения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры первоГо и второго45 транзисторов смешения уровня подкаочены к источнику питания, а коплекторык базам транзисторов-инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усили 50 тепя мощности, вторые и выводы первоГо и второго нагрузочных термостабипизирующих диодов соединены с источником питания через соответствующие резисторы смещения, к оп лекторы вы ходны х тран 55 зисторов каждой пары подключены соответственно к третьему и четвертому нагрузочным терлюостабилизируюшим диодам и к базе соответственно третьего и чет 19 4вертого транзисторов смешения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры второго и третьего транзисторов смещения уровня соединены с источником питания, а коллекторы - с базами транзисторов - инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы третьего и четвертого нагрузочных термостабилизирующих диодов подключены к источнику питания.На чертеже показана принципиальная электрическая схема операционного усилителя.Операционный усилитель состоит из двух пар транзисторов 1, 2, 3 и 4 с противоположным типом проводимости, при атом транзисторы 1 и 2 являются входными транзисторами пары, а транзисторы 3 и 4 - выходными транзисторами пары нагрузочных термостабилизирующих диодов 5,6,7 и 8,транзисторов 9, 10, 11 и 12 смещения уровня, источника тока 13, дифференциально-включенных транзисторов-инверторов 14 и 15 противоположного типа проводимости, транзисторов 16 и 17 токовой защиты резисторов 18 и 19 смешения первого каскада усилителя 20 мощности, транзисторов-инверторов 2 1 и 22 противоположного типа проводимости, транзисторов 23 и 24 токовой защиты и резисторов 25 и 26 смещения второго каскада усилителя 27 мощности.Эмиттеры входных транзисторов 1 и 2 пары соединены соответственно с эмиттерами выходных транзисторов 3 и 4 пары противоположного типа проводимости, объединенные между собой базы выходных транзисторов 3 и 4 подключены к регулируемому термостабильному источнику тока 13; 28 - внешний задающий резистор источника тока 13. Колпекторы транзисторов 1 и 2 соединены с нагрузочными термостабилизирующими диодами 5 и 6 и базами транзисторов 9 и 10 смещения уровня противоположного типа проводимости. Вторые выводы диодов 5 и 6 через никзоомные резисторы 29 и 30 смещения подключены к положительному полюсу источника питания, Коллектор транзистора 9 соединен с базой транзистора-инвертора 15 первого каскада усилителя 20 мощности. Коллектор транзистора 10 соединен с базой транзистора-инвертора 22 второго каскада усилителя 27 мощности. При атом проводимость транзисторов-ин5 736 1 верторов 15 и 22 аналогична проводимости входных транзисторов 1 и 2. Коллекторы выходных транзисторов 3 и 4 соединены с нагрузочными термостабилизирующими диодами 7 и 8 и базами транзисторов 11 и 12 смешения уровня с противоположным типом проводимости. Вторые выводы диодов 7 и 8 подключены к отрицательному попюсу источника питания. Коллектор транзистора 11 сое О динен с базой транзистора-инвертора 21 второго каскада усилителя 27 мощности а коллектор транзистора 12 соединен с базой транзистора-инвертора 14 первого каскада усилителя 20 мощности, При этом 5 проводимость транзисторов-инверторов 14 и 21 аналогична проводимости выходных транзисторов 3 и 4 пары.Коплекторы транзисторов-инверторов 14, 15 и 21, 22 попарно соединены меж-о ду собой и образуют дифференциальный выход усилителя.Резисторы 18, 19, 25 и 26 смешения и, соответственно, транзисторы 16, 17, 23 и 24 образуют токовую защиту выходных каскадов операционного усилителя. 19 6При поступпении на входы усилителясигналов помех общего вида, т.е. синфазных сигналов, возникающих при воздействии внешних электро-магнитных полей,колебаниях температуры окрущаюшей среды, помех в цепях источников питанияи т.д. на базы транзисторов 1 и 2, 3и 4, 9 и 10, 11 и 12 попадают соответственно сигналы, близкие по амплитудеи одинаковые по фазе, Затем синфазныесигнапы с коллекторов транзисторов 9и 12, 10 и 11 соответственно поступают в противофазе на базы транзисторов15 и 14, 21 и 22 и на их коллекторахкомпенсируются. Кроме этого, малое усиление помех общего вида обуславливаетсявкпючением баз транзисторов 3 и 4 вцепь источника тока 13, обладающего высоким выходным импедансом,Таким образом помехоустойчивость усилителя, а следовательно, и его точностьзначительно повышаются. Выходная мощность усилителя при использовании соответствующего теплоотвода составляет100 - 200 Вт, а коэффициент подавлениясинфазного сигнала 100-140 дб.Работа усилителя происходит следующим образом.При подаче на входы усилителя входного сигнала он усиливается транзисторами 1,2 и 3, 4, включенными по дифференциапьной схеме, причем усиление сигнала происходит как "вверх (коллекторы тран 35 зисторов 1 и 2) так и "вниз (коллекторы транзисторов 3 и 4). Усиленные по току входные сигналы с коллекторов транзисторов 1, 2 и 3, 4 подаются соответственно на базы транзисторов 9, 10 4 О и 11, 12 смещения уровня инвертируются ими с их коллекторов подаются в фазе на базы транзисторов 15, 22 и 21, 14 фазоинверсных выходных каскадов. На соединенных коллекторах транзисторов 45 14, 15 и 21, 22 усиленные сигналы складываются в фазе, причем сигналы на выходах усилителя против офазны между собой. Поэтому мощность, выделяющаяся в нагрузке, включенной между выходами усилителя, удваивается. Симметрия плеч выходных каскадов обеспечивает высокую линейность усилителя.Для расширения функциональных возможностей операционного усилителя его электрический режим задается внешним .резистором 28, что обуславливает работу в различных режимах и с различной выходной мощностью. Введение диодной термостабилизации цепей смещения уровня (диоды 5,6,7 и 8) во входном дифференциальном каскаде обеспечивает высокую термостабильность усипителя, а компенсация нестабильности на его выходах вследствие предложенного построения схемы значительно снижает общий температурный дрейф усилителя.Так, температурный дрейф напряжения смешения нуля предложенного усилитепя неопревышает 1-3 мкВ/ С. Поскольку при построении схемы усипителя транзисторы используются как усилители тока, т.е.как усилители, обладающие низким входным и высоким выходным сопротивлениями, а также вследствие введения полной симметрии схемы относительно источников питания, помехоустойчивость усилителя по цепям литания высока и составляет 5-10 мкВ /В. Исключение высокоомных пассивных нагрузок и симметричное распределение рассеиваемой мощности в выходных каскадах усилителя (транзисторы 14, 21 и 15, 22) обусловливает оптимальный температурный режим усилителя, при котором искпючается локальный перегрев отдельных компонентов и последующий их отказ, т.е, предложенное оптимальное построение схемы усилителя позволяет значитепьно повысить его надежность.7361формула изобретения Операционный усилитель, содержащий две пары транзисторов с противоположным типом проводимости, при этом база входного транзистора каждой пары является входом операционного усилителя, эмиттер входного транзистора соединен с эмиттером выходного транзистора пары про тивоположного типа проводимости, базы 10 выходных транзисторов подключены к источнику тока, и двухкаскадный усилитель мощности, каждый каскад которого вынопнен из двух дифференциально-включенных транзисторах-инверторах противо положного типа проводимостиколлекторй которых являются выходом операционного усилителя, эмиттер каждого транзистора-инвертора соединен с базой, а база - с коллектором транзисторов токовой защиты, эмиттеры которых подключены к соответствующему полюсу источника питания, соединенному через соответствующие резисторы смещения с эмиттерами транзисторов-инверторов каждого каскада усипите 25 ля мощности, о т и и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью увеличения выходной мощности, повышения точности и быстродействия, в него введены транзисторы смещения уровня и нагрузочные термо 30 стабилизирующие диоды, при этом коллектор входного транзисторе каждой пары соединен с первым выводом первого и второго нагрузочных термостабилизирующих диодов соответственно с базой первого и второго транзистора смещения уровня противоположного типа проводимости, эмиттеры первого и второготранзисторов смещения уровня подключены к источнику питания, а коллекторы -к базам транзисторов-инверторов противоположного типа проводимости соответственно первого и второго каскадов усилителя мощности, вторые выводы первогои второго нагрузочных термостабилизирующих диодов соединены с источникомпитания через соответствующие резисторы смещения, коллекторы выходных транзисторов каждой пары подключены соответственно к третьему и четвертому нагрузочны м термостабилизирующим диодами к базе соответственно третьего и четвертого транзисторов смещения уровняпротивоположного типа проводимости,эмиттеры второго и третьего транзисторовсмещения уровня соединены с источникомпитания, е коллекторы - с базами транзисторов-инверторов противоположного типе проводимости соответственно первогои второго каскадов усилителя мощности,вторые выводы третьего и четвертого нагрузочных термостабилизируюших диодовподключены к источнику питания,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Интегральный операционный усилитель 1 УТ 402,2. Авторское свидетельство СССРМо 414705, кл. Н 03 Г 3/34, 1971.3, Полонников Д. Е. Решающие усипители М., Энергия", 1973,220-221, 232-233 (прототип).736119 Составитель С. Беланехред М. Кузьма Коррек Скворцова Реда кт рванская/7 Тираж НИИПИ Государственно по делам изобретений13035, Москва, Жаказ 227 751 Подписго комитета СССРоткрытийРащуская наб., д ная лиал ППП Патент, г. Ужгород, ул.