Операционный усилитель

(50 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 4805127/09; 4805126/09 (22) 22,03.90 (46) 07,05,92, Бюл. М 17 (71) Московский институт электронной техники (72) В, И. Суэтинов, В, И. Старосельский, В. Г. Апарин и Л, Н. Кравченко (53) 621.375,024(088.8) (56) ЕЕЕ )оцгпа о 1 ЯоО, - Итаке сгсцТз, 1987, чо. ЯС - 22, по, 6, рр, 971-981. (54) ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к микроэлектронике, более конкретно к аналоговым интегральным схемам, и может быть использовано в аналоговых ЗВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП.Ф Оп 2 е.Жал 1732427 А 1 Цель изобретения - повышение коэффициента усиления и быстродействия. Операционный усилитель содержит дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах 1 и 2, токозадающий элемент 3, первую группу из последовательно соединенных полевых транзисторов 41, 42, , 4,элемент 5 токовой нагрузки, выходной повторитель 6, вторую группу полевых транзисторов 71, 72, , 7 п, формирователь 8 сдвига уровня вход.ного сигнала, дополнительный элемент токовой нагрузки, дополнительный выходной повторитель, Цель достигается за счет подключения затворов полевых транзисторов первой и второй групп 41, 42, :4 п и 71, 7 ъ7 к соответствующим выходам формирователя 8 сдвига уровня, 1 3. и, ф-лы, 5 ил.Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к аналоговым интегральным схемам, и может быть использовано в аналоговых ЭВМ, измерительной технике, ядерной электронике, технике связи, а также в системах АЦП и ЦАП,Целью изобретения является повышение коэффициента усиления и быстродействия,Новизна предлагаемого изобретения по пункту 1 формулы изобретения обусловлена тем, что в операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах и содержащий дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах, затворы которых являются первым и вторым входами устройства, а общая истоковая цепь подключена к первому выводу токозадающего элемента, второй вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом между стоком первого полевого транзистора и второй шиной питания включена первая группа и последовательно соединенных полевых транзисторов, а также элементе токовой нагрузки, первый вывод которого соединен с второй шиной питания, второй вывод - с входом выходного повторителя напряжения, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента усиления.и быстродействия, введены формирователь сдвига уровня входного сигнала, вход которого является третьим входом устройства, а между стоком второго полевого транзистора и вторым выводом элемента токовой нагрузки включена вторая группа и последовательно соединенных полевых транзисторов, причем затворы полевых транзисторов первой и второй групп подключены к соответствующим выходам формирователя сдвига уровня входного сигнала.Новизна предлагаемого изобретения по пункту 2 обусловлена тем, что в операционном усилителе по пункту 1 сток п-го полевого транзистора первой группы соединен с второй шиной питания черездополнительный элемент токовой нагрузки, точка соединения которого со стоком и-го полевого транзистора первой. группы подключена к входу дополнительного выходного повторителя напряжения, выход которого является инверсным по отношению к выходу выходного повторителя напряжения.Указанная совокупность отличительных признаков предлагаемого операционного усилителя позволяет за счет подачи управляющих напряжений одновременно на затворы полевых транзисторов первой и второй групп стабилизировать напряжение сток - исток на каждом из них за исключени 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ем и-го полевого транзистора в каждой группе и добиться положительного эффекта - увеличить коэффициент усиления и повысить быстродействие.В предлагаемом операционном усилителе высокий коэффициент усиления достигается другим методом, чем в известных операционных усилителях на полевых транзисторах, В основу этого метода положено использование паоаллельно-последовательного принципа усиления. Сущность этого принципа заключается в применении для усиления последовательно включенных полевых транзисторов и подаче входного сигнала одновременно на затворы этих транзисторов и на исток первого из них. Усиленный сигнал снимается со стока последнего транзистора, к которому подключена нагрузка.На фиг. 1 и 2 показаны структурные схемы; на фиг, 3 и 4 - примеры выполнения предлагаемого операционного усилителя по пунктам 1 и 2; на фиг, 5 - результаты моделирования АЧХ и ФЧХ усилителя по программе РЗР СЕ,Усилитель по пункту 1 (Фиг, 1) состоит из дифференциальной пары полевых транзисторов 1 и 2, истоки которых соединены и подключены к первому выводу токозадающего элемента 3, второй вывод которого соединен с первой шиной питания; элемента 5 токовой нагрузки, первый вывод которого соединен с высокоомным входом повторителя 6 напряжения, а второй вывод соединен с второй шиной питания; первой группы 7 полевых транзисторов, соединенных последовательно и включенных между стоком транзистора.1 и второй шиной питания, второй группы 4 полевых транзисторов, соединенных последовательно и включенных между стоком транзистора 2 и первым выводом элемента 5 токовой нагрузки, и формирователя 8 сдвига уровня входного сигнала, вход которого соединен с шиной входного сигнала, а выходы с затворами транзисторов групп 7 и 4. Входами операционного усилителя являются затворы транзисторов 1 и 2 (входы 1 и 2), а выходом - низкоомный выход повторителя 6. Усилитель по пункту 2 (фиг, 2) отличается от усилителя по пункту 1 тем, что в него введен дополнительный элемент 9 токовой нагрузки, включенный между стоком последнего транзистора в группе 7 и второй. шиной питания, а также дополнительный повторитель 10 напряжения, высокоомный вход которого соединен со стоком последнего транзистора в группе 7, а низкоомный выход является вторым выходом усилителя,1732427 50 55 инверсным по отношению к первому выходуПринцип действия предлагаемого устройства основан на параллельно-последовательном усилении входного сигнала последовательно включенными полевыми транзисторами. В предлагаемом устройстве по пункту 1 усиление входного сигнала осуществляется. транзистором 2 и группой 4 последовательно включенных транзисторов. В предлагаемом устройстве по пункту 2 усиление входного сигнала осуществляется транзисторами 1 и 2 и двумя группами 7 и 4 последовательно включенных транзи-, сторов. Осуществление принципа параллельно-последовательного усиления достигается с помощью формирователя 8 сдвига уровня входного сигнала, выходы которого соединены с соответствующими затворами транзисторов групп 7 и 4, а вход вход 3) подключен к сигнальной шине, Формирователь вырабатывает управляющие напряжения, отличающиеся от входного сигнала величиной постоянной составляющей и задающие активный режим для всех транзисторов, подключенных к его выходам. Благодаря тому, что входной сигнал . параллельно подается на затворы усиливающих транзисторов и последовательно на их истоки, усиление нарастает оттранзистора к транзистору, причем на его величину решающее влияние оказывает нагрузка 5, а в устройстве по пункту 2 и нагрузка 9, а вклад токозадающего элемента 3 не столь значителен,Для сравнения следует отметить, что в операционном усилителе, выполненном на дифференциальном каскаде с положительной обратной связью, на коэффициент усиления в значительной мере влияет сопротивление как элемента токовой нагрузки, так и токозадающего элемента. Кроме того, при увеличении коэффициента усиления в таком операционном усилителе увеличивается его неустойчивость, что является ограничивающим фактором для коэффициента усиления. Указанный параллельно-последовательный принцип усиления обеспечивает и второе преимущество предлагаемого устройства перед известным - повышение быстродействия, которое обусловлено тем, что цепь усиления сигнала в предлагаемом устройстве короче, чем в известном, и не включает выходной повторитель напряжения, подключенный к емкости нагрузки, Отсутствие положительной обратной связи в схеме улучшает также и фазочастотные характеристики устройства. Дополнительным преимуществом предлагаемого усилителя является больший линейный диапазон усиливаемого сигнала.Это связано с тем, что в известном в точке 5 соединения истоков транзисторов рифференциальной пары сигнал уже усилен и значительно больше входного, а потому они находятся под сильно отличающимися смещениями, В предлагаемом устройстве на пряжение на общих истоках транзисторовдифференциальной пары, как и в обычных дифференциальных усилителях равно примерно половине разности входного и опорного сигналов, т,е, отличие в смещениях 15 незначительно.Примеры выполнения предлагаемогооперационного усилителя на основе полевых транзисторов с затвором Шоттки представлены на фиг. 3 и 4. В этих схемах 20 каждый из источников 3, 5 и 9 тока выполненв виде трех последовательно включенных транзисторов, затворы которых соединены с истоками предыдущих транзисторов, что обеспечивает увеличение выходного сопро тивления источника тока, Истоковые повторители 6 и 10 реализованы по схеме, обеспечивающей повышенньй коэффициент передачи, и содержат цепи сдвига уровня выходного сигнала на основе цепочек 30 диодов. Формирователь 8 сдвига уровнявходного сигнала выполнен на основе истокового повторителя и цепочки диодов, обеспечивающих повышение уровня входного сигнала таким образом, что все транзисто ры, подключенные к выходам формирователя, работают в активном режиме.В каждой иэ представленных схем усиление осуществляется тремя последовательно соединенными транзисторами, 40 включенными в цепи нагрузки дифференциального каскада. Они обеспечивают коэффициент усиления, равный приблизительно 3 10 (70 дБ). Частотные характеристики устройства по пункту 1 совпадают с частотными характеристиками устройства по пункту 2. Общие амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики представлены на фиг. 5, Они рассчитаны по программе РЯР СЕ, В расчетах использовалась модель транзистора, настроенная на реальные характеристики приборов.Изобретение может быть использовано для реализации ИС операционных усилителей с полосой единичного усиления свыше 1 ГГц.Формула изобретения 1. Операционный усилитель, выполненный на полевых транзисторах, содержащий дифференциальный каскад, выполненный на первом и втором полевых транзисторах,затворы которых являются первым и вторым входами устройства, а общая истоковая цепь подключена к первому выводу токозадающего элемента. второй вывод которого соединен с первой шиной питания, при этом между стоком первого полевого транзистора и второй шиной питания включена первая группа и последовательно соединенных полевых транзисторов, а также элемент токовой нагрузки, первый вывод кЬторой соединен с второй шиной питания, второй вывод - с входом выходного повторителя напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и быстродействия, введены формирователь сдвига уровня входного сигнала, вход которого являетея третьим входом устройства, а между стоком второго полевого транзистора и вторым выводом элемента токовой нагрузки включена вторая группа п последовательно соединенных полевых транзисторов, причем затворы полевых транзисторов первой и второй групп под ключены к соответствующим выходам формирователя сдвига уровня входного сигнала. 2,Усилитель поп,1, отл ича ющий ся 10 тем,чтосток и-го полевого транзистора первой группы соединен с второй шиной питания через дополнительный элемент токовой нагрузки, точка соединения которого со стоком и-го полевого транзистора первой груп пы подключена к входу дополнительноговыходного повторителя напряжения, выход которого является инверсным по отношению к выходу выходного повторителя напряжения.201732427 а оставителТехред М.М орректор Р.Пе ГКНТ СССР агарина, 10 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород Редактор Г.ГерберЗаказ 1588ВНИИПИ Гасударс Тираж енного ко 13035, Мо.Сузтинентал Подписноеитета по изобретениям и открытияма, Ж, Раушская наб., 4/5