RU2510570C1 - Complementary input stage of high-speed operational amplifier - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: complementary input state of a high-speed operational amplifier comprises: first (1) and second (2) input transistors, first (3) and second (4) output transistors with combined bases, first (5) and second (6) device inputs, first (7) and second (8) auxiliary transistors, first (9) current-stabilising two-terminal element, first (10), (11) current outputs of the device, second (12), (13) current outputs of the device, first (14) power supply bus, second (15) power supply bus, second (16) current-stabilising two-terminal element, first (17) additional resistor, second (18) additional resistor, third (19) and fourth (20) additional resistors.

EFFECT: wider range of active operation of the input stage of an operational amplifier for a differential signal, obtaining limiting voltages of its transfer characteristic, which increases operational speed of the operational amplifier by more than an order.

20 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях, ОУ).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals with a wide dynamic range in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, high-speed operational amplifiers, op-amps).

Известны схемы комплементарных входных каскадов ОУ, выполненных в виде дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-п и р-п-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя цА741» [1-30]. На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом [29-31], стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Это связано с тем, что в таких ДУ минимизируется входная емкость из-за отсутствия эффекта Миллера. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.Known schemes are complementary input stages of op-amps made in the form of differential amplifiers (DE) on n-p-p and p-p-p transistors with the so-called "architecture of the input cascade of the operational amplifier TsA741" [1-30]. Over 50 patents have been issued for their modifications for leading microelectronic companies in the world. Differential amplifiers of this class, along with a typical parallel-balanced cascade [29-31], have become the main amplifying element of many analog interfaces. This is due to the fact that in such remote control the input capacitance is minimized due to the absence of the Miller effect. The present invention relates to this subclass of devices.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя по патенту US 4.901.031, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому 5 и второму 6 входам устройства, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, первые 10, 11 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторые 12, 13 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, причем коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания, а первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 15 шиной источника питания.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a complementary input stage of a high-speed operational amplifier according to the patent US 4.901.031, containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the emitters of the corresponding first 3 and second 4 output transistors with combined bases, and the bases are connected to the corresponding first 5 and second 6 inputs of the device, the first 7 and second 8 auxiliary transistors, the first 9 current-stabilizing bipolar, the first 10, 11 current outputs of the device are connected with the collectors of the first 1 and second 2 input transistors, the second 12, 13 current outputs of the device associated with the collectors of the first 3 and second 4 output transistors, and the collectors of the first 7 and second 8 auxiliary transistors are connected to the first 14 bus of the power source, and the first 9 is current-stabilizing the bipolar is connected to the second 15 bus power source.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет сравнительно узкий динамический диапазон (U_гр) линейного усиления дифференциальных сигналов (U_вx.max<U_гр≈100÷150 мВ). Как показано в монографии авторов настоящей заявки [31], это обстоятельство является главной причиной невысокого быстродействия современных операционных усилителей, обусловленной нелинейным режимом работы входного каскада ОУ. При этом для большинства ОУ с высокоимпедансным узлом и одним корректирующим конденсатором (С_к) максимальная скорость нарастания выходного напряжения определяется формулой [31]A significant drawback of the known remote control is that it has a relatively narrow dynamic range (U _gr ) of linear amplification of differential signals (U _vx.max <U _gr ≈100 ÷ 150 mV). As shown in the monograph of the authors of this application [31], this circumstance is the main reason for the low performance of modern operational amplifiers, due to the non-linear mode of operation of the input stage of the op amp. Moreover, for most opamps with a high impedance node and one correcting capacitor (C _k ), the maximum slew rate of the output voltage is determined by the formula [31]

$${\upsilon }_{вых}=2\pi f_{ср}{U}_{гр},\left(1\right)$$

$${\upsilon }_{\mathrm{at}sx}=2\pi f_{\mathrm{from}R}{U}_{gR},\left(\mathrm{one}\right)$$

где f_cp - частота единичного усиления (частота среза) скорректированного ОУ;where f _cp is the unit gain frequency (cutoff frequency) of the adjusted op-amp;

U_гр - напряжение ограничения проходной характеристики i_выx=f(u_вх) входного каскада (для классических ДУ U_гр=50÷100 мВ).U _gr is the limiting voltage of the flow characteristic i i _x = f (u _in ) of the input stage (for classical remote control U _gr = 50 ÷ 100 mV).

Из (1) следует, что повышение υ_вых можно осуществить двумя качественно разными путями [31]:From (1) it follows that the increase υ _out can be achieved in two qualitatively different ways [31]:

1. Увеличением диапазона активной работы входного ДУ (U_гр) без изменения крутизны преобразования входного напряжения в выходные токи ДУ;1. An increase in the range of active operation of the input remote control (U _gr ) without changing the slope of the conversion of the input voltage to the output currents of the remote control;

2. Повышением f_cp за счет улучшения частотных свойств транзисторов, что связано, прежде всего, с использованием более высокочастотных и дорогостоящих техпроцессов (SG25VD, SG25H1, SG25RH и др.).2. The increase in f _cp due to the improvement of the frequency properties of transistors, which is associated primarily with the use of more high-frequency and costly technical processes (SG25VD, SG25H1, SG25RH, etc.).

Заявляемый входной каскад ОУ решает задачу повышения быстродействия за счет увеличения (без изменения крутизны) более чем на порядок диапазона линейной работы входного каскада, измеряемого напряжением ограничения U_гр=1÷2 В.The inventive input stage of the op-amp solves the problem of increasing speed by increasing (without changing the slope) by more than an order of magnitude of the linear range of the input stage, measured by the limiting voltage U _g = 1 ÷ 2 V.

Таким образом, основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала - получении граничных напряжений его проходной характеристики i_вых=f(u_вх) на уровне U_гр=1÷2 В.Thus, the main objective of the invention is to expand the range of active operation of the input stage of the op-amp for a differential signal - to obtain the boundary voltage of its pass-through characteristic i _out = f (u _in ) at the level of U _gr = 1 ÷ 2 V.

Поставленная задача достигается тем, что в комплементарном входном каскаде операционного усилителя, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому 5 и второму 6 входам устройства, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, первые 10, 11 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторые 12, 13 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, причем коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания, а первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 15 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттером второго 8 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, между эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, база второго 8 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером второго 2 входного транзистора, эмиттер первого 1 входного транзистора связан с эмиттером первого 3 выходного транзистора через первый 17 дополнительный резистор, эмиттер второго 2 входного транзистора связан с эмиттером второго 4 выходного транзистора через второй 18 дополнительный резистор, а между эмиттерами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов включены два последовательно соединенных третий 19 и четвертый 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 3 и второго 4 выходных транзисторов.The problem is achieved in that in a complementary input stage of the operational amplifier containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the emitters of the corresponding first 3 and second 4 output transistors with combined bases, and the bases are connected to the corresponding first 5 and second 6 inputs devices, the first 7 and second 8 auxiliary transistors, the first 9 current-stabilizing bipolar, the first 10, 11 current outputs of the device associated with the collectors of the first 1 and second 2 input transistors ov, the second 12, 13 current outputs of the device associated with the collectors of the first 3 and second 4 output transistors, the collectors of the first 7 and second 8 auxiliary transistors connected to the first 14 bus power supply, and the first 9 current-stabilizing two-terminal connected to the second 15 bus power source , new elements and connections are provided - between the emitter of the second 8 auxiliary transistor and the second 15 bus of the power supply, the first 9 current-stabilizing two-terminal is included, between the emitter of the first 7 auxiliary trans the torus and the second 15 bus power source included the second 16 current-stabilizing two-terminal, the base of the first 7 auxiliary transistor is connected to the emitter of the first 1 input transistor, the base of the second 8 auxiliary transistor is connected to the emitter of the second 2 input transistor, the emitter of the first 1 input transistor is connected to the emitter of the first 3 output transistor through the first 17 additional resistor, the emitter of the second 2 input transistor is connected to the emitter of the second 4 output transistor through the second 18 additional res Side and between the emitters of the first 7 and second 8 includes two auxiliary transistors connected in the third 19 and fourth 20 additional resistors the common node of which is connected to the bases of the first joint 3 and 4 of the second output transistors.

Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с формулой изобретения.The amplifier circuit of the prototype is shown in the drawing of figure 1. The drawing of figure 2 shows the inventive device in accordance with the claims.

На чертеже фиг.3 приведена возможная архитектура быстродействующего операционного усилителя с предлагаемым входным каскадом.The drawing of figure 3 shows a possible architecture of a high-speed operational amplifier with the proposed input stage.

На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».The drawing of figure 4 shows a diagram of the remote control prototype of figure 1 in the environment of computer simulation PSpise on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На чертеже фиг.5 приведена зависимость разности выходных токов (I(out1)-I(out2)) и (I(out3)-I(out4)) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u_вх. The drawing of figure 5 shows the dependence of the difference of the output currents (I (out1) -I (out2)) and (I (out3) -I (out4)) of the remote control prototype of figure 4 from the input voltage u input _.

На чертеже фиг.6 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u_вх. Аналогичная зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) ДУ-прототипа фиг.4 от входного напряжения u_вх представлена на чертеже фиг.7. Из данных графиков следует, что максимальное значение выходных токов ДУ-прототипа не превышает величины I₁=2 МA, что характерно для каскадов класса «А».In the drawing, Figure 6 shows the dependence of the absolute values of the output currents I (out1) and I (out2)-4 prototype control of the input voltage u _Rin. A similar dependence of the output currents I (out3) and I (out4) of the remote control prototype of FIG. 4 on the input voltage u _in is shown in the drawing of FIG. 7. From these graphs it follows that the maximum value of the output currents of the remote control prototype does not exceed the value I ₁ = 2 MA, which is typical for cascades of class "A".

На чертеже фиг.8 показана схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертежах фиг.9-фиг.12 зависимости разностей выходных токов (I(out1)-I(out2)) и (I(out3)-I(out4)) от входного напряжения U_вх ДУ фиг.8 при различных значениях сопротивлений дополнительных резисторов 19, 20 (R_var).The drawing of Fig. 8 shows a diagram of the claimed control unit of Fig. 2 in the PSpise computer simulation environment on models of integrated transistors of the Federal State Unitary Enterprise NPP "Pulsar", and in the drawings of Figs. 9-Fig. 12, the dependences of the differences of the output currents (I (out1) -I (out2 )) and (I (out3) -I (out4)) from the input voltage U _{in the} remote control of Fig. 8 for different values of the resistances of the additional resistors 19, 20 (R _var ).

На чертеже фиг.13 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=200 Ом, а на чертеже фиг.14 - зависимость выходных токов I(out3) и I(out4) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=200 Ом.The drawing of Fig.13 shows the dependence of the absolute values of the output currents I (out1) and I (out2) of the claimed control unit of Fig.8 on the input voltage u _in with the resistances of the additional resistors 19, 20 R _var = 200 Ohms, and in the drawing of Fig.14 - the dependence of the output currents I (out3) and I (out4) of the claimed control unit of FIG. 8 on the input voltage u _in with the resistances of additional resistors 19, 20 R _var = 200 Ohms.

На чертеже фиг.15 показана зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=1 кОм, а на чертеже фиг.16 аналогичная зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ фиг.8 от входного напряжения u_вх при сопротивлениях дополнительных резисторов 19, 20 R_var=1 кОм в увеличенном масштабе.The drawing of Fig. 15 shows the dependence of the absolute values of the output currents I (out1) and I (out2) of the claimed control unit of Fig. 8 on the input voltage u _in with the resistances of the additional resistors 19, 20 R _var = 1 kOhm, and in the drawing of Fig. 16 a similar the dependence of the output currents I (out1) and I (out2) of the claimed control unit of FIG. 8 on the input voltage u _in with the resistances of additional resistors 19, 20 R _var = 1 kOhm on an enlarged scale.

На чертеже фиг.17 представлена зависимость абсолютных значений выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ от входного напряжения u_вх при R_var=1 кОм, а на чертеже фиг.18 эта же зависимость выходных токов I(out1) и I(out2) заявляемого ДУ от входного напряжения u_вх при R_var=1 кОм в увеличенном масштабе.The drawing of Fig. 17 shows the dependence of the absolute values of the output currents I (out1) and I (out2) of the claimed remote control on the input voltage u _in at R _var = 1 kOhm, and in the drawing of Fig. 18 the same dependence of the output currents I (out1) and I (out2) of the claimed remote control from the input voltage u _in at R _var = 1 kOhm on an enlarged scale.

Графики фиг.19 и фиг.20 характеризуют зависимость от u_вх абсолютных значений выходных токов I(out3) и I(out4) при R_var=1 кОм в мелком (фиг.19) и укрупненном (фиг.20) масштабах.The graphs of Fig. 19 and Fig. 20 characterize the dependence on u _in absolute values of the output currents I (out3) and I (out4) at R _var = 1 kOhm in small (Fig. 19) and enlarged (Fig. 20) scales.

Комплементарный входной каскад (ДУ) быстродействующего операционного усилителя фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому 5 и второму 6 входам устройства, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, первые 10, 11 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторые 12, 13 токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, причем коллекторы первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов связаны с первой 14 шиной источника питания, а первый 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 15 шиной источника питания. Между эмиттером второго 8 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, между эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора и второй 15 шиной источника питания включен второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, база первого 7 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора, база второго 8 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером второго 2 входного транзистора, эмиттер первого 1 входного транзистора связан с эмиттером первого 3 выходного транзистора через первый 17 дополнительный резистор, эмиттер второго 2 входного транзистора связан с эмиттером второго 4 выходного транзистора через второй 18 дополнительный резистор, а между эмиттерами первого 7 и второго 8 вспомогательных транзисторов включены два последовательно соединенных третий 19 и четвертый 20 дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого 3 и второго 4 выходных транзисторов.The complementary input stage (DU) of the high-speed operational amplifier of FIG. 2 contains the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are connected to the emitters of the corresponding first 3 and second 4 output transistors with integrated bases, and the bases are connected to the corresponding first 5 and second 6 inputs of the device , the first 7 and second 8 auxiliary transistors, the first 9 current-stabilizing bipolar, the first 10, 11 current outputs of the device associated with the collectors of the first 1 and second 2 input transistors, the second 12, 13 current new outputs of the device associated with the collectors of the first 3 and second 4 output transistors, and the collectors of the first 7 and second 8 auxiliary transistors are connected to the first 14 bus of the power source, and the first 9 current-stabilizing bipolar is connected to the second 15 bus of the power source. Between the emitter of the second 8 auxiliary transistor and the second 15 bus of the power supply, the first 9 current-stabilizing two-terminal is connected, between the emitter of the first 7 auxiliary transistor and the second 15 bus of the power supply, the second 16 current-stabilizing two-pole is connected, the base of the first 7 auxiliary transistor is connected to the emitter of the first 1 input transistor, the base the second 8 auxiliary transistor is connected to the emitter of the second 2 input transistor, the emitter of the first 1 input transistor is connected to the emitter 3 of the output transistor through the first 17 additional resistor, the emitter of the second 2 input transistor is connected to the emitter of the second 4 output transistor through the second 18 additional resistor, and between the emitters of the first 7 and second 8 auxiliary transistors are connected two series-connected third 19 and fourth 20 additional resistors, whose common node is connected to the combined bases of the first 3 and second 4 output transistors.

На чертеже фиг.3 заявляемый входной каскад фиг.2 (21) включен в классическую структуру быстродействующего ОУ с высокоимпедансным узлом 22, которая содержит дополнительные токовые зеркала 23, 24, выходной буфер 25 и корректирующий конденсатор (С_к) 26. При этом ОУ охвачен 100% отрицательной обратной связью.In the drawing of Fig. 3, the claimed input stage of Fig. 2 (21) is included in the classical structure of a high-speed op-amp with a high-impedance assembly 22, which contains additional current mirrors 23, 24, an output buffer 25, and a correction capacitor (C _k ) 26. In this case, the opamp is covered 100% negative feedback.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.2.Consider the operation of the inventive device of figure 2.

В связи с тем что падение напряжения на резисторах 19, 20, создаваемое токами базы транзисторов 3 и 4, мало, статические токи всех транзисторов схемы определяются токами токостабилизирущих двухполюсников 16 и 9. При этом для достаточно низкоомных резисторов 17, 18 (R=10-15 Ом) за счет увеличения площадей эмиттерных переходов транзисторов 3, 4 можно при нулевом входном напряжении ДУ обеспечить равенство всех эмиттерных токов схемы:Due to the fact that the voltage drop across the resistors 19, 20 created by the base currents of transistors 3 and 4 is small, the static currents of all transistors in the circuit are determined by the currents of the stabilizing bipolar terminals 16 and 9. Moreover, for sufficiently low-resistance resistors 17, 18 (R = 10- 15 Ohms) by increasing the area of the emitter junctions of transistors 3, 4, it is possible to ensure that all emitter currents of the circuit are equal at zero input voltage of the remote control:

$$I_{э1}=I_{э2}=I_{э3}=I_{э4}=\approx I_0,\left(1\right)$$

$$I_{\mathrm{uh}\mathrm{one}}=I_{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="uh"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">uh</figure-callout>}2}=I_{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="uh"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">uh</figure-callout>}3}=I_{\mathrm{uh}\mathrm{four}}=\approx {\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="I"\; filenames="00000012.png,00000013.png"\; state="\{\{state\}\}">I</figure-callout>}}_0,\left(\mathrm{one}\right)$$

где I₀=I₉=I₁₆ - некоторый опорный ток, например 1 мА.where I ₀ = I ₉ = I ₁₆ is some reference current, for example 1 mA.

Если напряжение на первом 5 входе (Вх.1) ДУ становится больше напряжения на втором 6 входе ДУ, то коллекторные токи транзисторов 1 и 3 увеличиваются, а транзисторов 2 и 4 уменьшаются. При этом входное дифференциальное напряжение u_вх «выделяется» на резисторах 19 и 20, что приводит к увеличению «открывающего» напряжения между базой транзистора 1 и базой транзистора 3:If the voltage at the first 5 input (In 1) of the remote control becomes greater than the voltage at the second 6 input of the remote control, then the collector currents of transistors 1 and 3 increase, and transistors 2 and 4 decrease. In this case, the input differential voltage u _I "stands out" on the resistors 19 and 20, which leads to an increase in the "opening" voltage between the base of transistor 1 and the base of transistor 3:

$$u_{б1-3}\approx \frac{u_{вх}}{2}.\left(2\right)$$

$$u_{b\mathrm{one}-3}\approx \frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="u\; at\; x"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">u\; </figure-callout>}}_{\mathrm{at}x}}{2}.\left(2\right)$$

Таким образом коллекторные (выходные) токи транзисторов 1 и 3 будут пропорциональны входному напряжению u_вх в широком диапазоне его изменения:Thus collector (output) currents of the transistors 1 and 3 are proportional to u _Rin in a wide range of its change to the input voltage:

$$i_{10}=i_{12}\approx \frac{u_{вх}}{2\left(r_{э1}+r_{э3}+R_0+\frac{R_{19}}{2{\beta }_3}\right)},\left(3\right)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="10"\; label="i"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">i</figure-callout>}}_{10}={\mathrm{<figure-callout\; id="12"\; label="i"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">i</figure-callout>}}_{12}\approx \frac{u_{\mathrm{at}x}}{2\left(r_{\mathrm{uh}\mathrm{one}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="r\; uh"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">r\; </figure-callout>}}_{\mathrm{uh}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="R"\; filenames="00000012.png,00000013.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_0+\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="19"\; label="R"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_{19}}{2{\beta }_3}\right)},\left(3\right)$$

где r_э1, r_э3 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1 и 3;where r _e1 , r _e3 - resistance of the emitter junctions of transistors 1 and 3;

R₁₉=R₂₀ - сопротивления резисторов 19 и 20;R ₁₉ = R ₂₀ - resistance of the resistors 19 and 20;

β₃ - коэффициент усиления по току базы транзистора 3;β ₃ - current gain of the base of the transistor 3;

R₀≈R₁₇=R₁₈ - эквивалентное сопротивление, состоящее из объемного низкоомного эмиттерного резистора транзистора 3 (4) и дополнительного резистора 17 (R₁₇=10÷15 Ом).R ₀ ≈ R ₁₇ = R ₁₈ is the equivalent resistance, consisting of a volumetric low-resistance emitter resistor of transistor 3 (4) and an additional resistor 17 (R ₁₇ = 10 ÷ 15 Ohms).

Учитывая, что при увеличении I_э1 сопротивления r_э1 и r_э3 существенно уменьшаются, из (3) можно найти, что при больших u_вх>>25 мВConsidering that with increasing I _{e1 the} resistances r _e1 and r _e3 significantly decrease, from (3) we can find that for large u _in >> 25 mV

$$i_{10}=i_{12}\approx \frac{u_{вх}}{2\left(R_0+\frac{R_{19}}{2{\beta }_3}\right)}=u_{вх}S,\left(4\right)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="10"\; label="i"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">i</figure-callout>}}_{10}={\mathrm{<figure-callout\; id="12"\; label="i"\; filenames="00000009.png,00000010.png"\; state="\{\{state\}\}">i</figure-callout>}}_{12}\approx \frac{u_{\mathrm{at}x}}{2\left(R_0+\frac{R_{19}}{2{\beta }_3}\right)}=u_{\mathrm{at}x}S,\left(\mathrm{four}\right)$$

где $$S=\frac{1}{2\left(R_0+\frac{R_{19}}{2{\beta }_3}\right)}$$

- крутизна ДУ.Where $$S=\frac{\mathrm{one}}{2\left({\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="R"\; filenames="00000012.png,00000013.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_0+\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="19"\; label="R"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_{19}}{2{\beta }_3}\right)}$$

- the steepness of the remote control.

Уравнение (4) справедливо для входных напряжений не более чем:Equation (4) is valid for input voltages not more than:

$$U_{вх.\max }\le U_{гр}=I_0{R}_{19}=I_0{R}_{20}=1÷2B.\left(5\right)$$

$$U_{\mathrm{at}x.\max }\le U_{gR}=I_0{\mathrm{<figure-callout\; id="19"\; label="R"\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_{19}=I_0{R}_{\mathrm{twenty}}=\mathrm{one}÷2B.\left(5\right)$$

После этого под действием u_вх происходит ограничение выходных токов ДУ.After that, under the action of u _Ix , the output currents of the remote control are limited.

Таким образом, диапазон активной работы ДУ фиг.2 определяется произведением I₀R₁₉ (5) и может выбираться в соответствии с требуемыми значениями к u_вых операционного усилителя (1). Данные выводы подтверждаются графиками фиг.9-фиг.20, из которых следует, что диапазон активной работы заявляемого ДУ (U_гр) увеличивается на порядок в сравнении с U_гр ДУ-прототипа.Thus, the active control operating range determined by the product I 2 ₀ R ₁₉ (5), and may be selected in accordance with desired values for u _O of the operational amplifier (1). These findings are confirmed by the graphs of Fig.9-Fig.20, from which it follows that the range of active work of the claimed remote control (U _gr ) increases by an order of magnitude in comparison with U _gr remote control prototype.

Таким образом, проходная характеристика i_вых=f(u_вх) заявляемого ДУ «продлевается» в область больших токов (фиг.9-фиг.20), значительно превышающих статические токи транзисторов ДУ и общий потребляемый ДУ ток в статическом режиме. Это характерно для транзисторных каскадов класса «АВ».Thus, the pass-through characteristic _iout = f ( _uin ) of the claimed remote control is "extended" to the region of high currents (Fig.9-Fig.20), significantly exceeding the static currents of the transistors of the remote control and the total current consumed by the remote control in static mode. This is typical for transistor cascades of class "AB".

При отрицательном u_вх ДУ фиг.2 работает аналогично.With a negative u _{in the} remote control of _figure 2 works similarly.

Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.8, представленные на графиках фиг.9-фиг.20, подтверждают полученные выше теоретические выводы.The results of computer simulation of the remote control of Fig. 8, presented in the graphs of Fig. 9-Fig. 20, confirm the theoretical conclusions obtained above.

Таким образом, предлагаемый ДУ имеет более чем на порядок лучшее напряжение ограничения и может использоваться в структуре быстродействующих операционных усилителей различного функционального назначения, а также в аналоговых микросхемах с широким диапазоном линейной работы.Thus, the proposed remote control has more than an order of magnitude better voltage limiting and can be used in the structure of high-speed operational amplifiers for various functional purposes, as well as in analog microcircuits with a wide range of linear operation.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент США №3.786.3621. US Patent No. 3,786.362

2. Патент США №4.030.0442. US patent No. 4.030.044

3. Патент США №4.059.808, фиг.53. US patent No. 4.059.808, figure 5

4. Патент США №4.286.2274. US Patent No. 4,286.227

5. Авт. свид. СССР №375754, H03f 3/385. Auth. testimonial. USSR No. 375754, H03f 3/38

6. Авт. свид. СССР №843164, H03f 3/306. Auth. testimonial. USSR No. 843164, H03f 3/30

7. Патент США №3.660.7737. US Patent No. 3,660.773

8. Патент США №4.560.9488. US Patent No. 4,560.948

9. Патент РФ №2930041, H03f 1/329. RF patent No. 2930041, H03f 1/32

10. Патент Японии №57-5364, H03f 3/34310. Japan Patent No. 57-5364, H03f 3/343

11. Патент ЧССР №134845, кл. 21а² 18/0811. Patent of Czechoslovakia No. 134845, cl. 21a ² 18/08

12. Патент ЧССР №134849, кл. 21а² 18/0812. Patent of Czechoslovakia No. 134849, cl. 21a ² 18/08

13. Патент ЧССР №135326, кл. 21а² 18/0813. Czechoslovak Patent No. 135326, cl. 21a ² 18/08

14. Патент США №4.389.57914. US Patent No. 4,389.579

15. Патент Англии №1543361, Н3Т15. England patent No. 1543361, H3T

16. Патент США №5.521.552 (фиг.3а)16. US patent No. 5.521.552 (figa)

17. Патент США №4.059.80817. US Patent No. 4.059.808

18. Патент США №5.789.94918. US Patent No. 5,789.949

19. Патент США №4.453.13419. US Patent No. 4,453.134

20. Патент США №4.760.28620. US Patent No. 4,760.286

21. Авт. свид. СССР №128394621. Auth. testimonial. USSR No. 1283946

22. Патент РФ №201901922. RF patent No. 2019019

23. Патент США №4.389.57923. US Patent No. 4,389.579

24. Патент США №4.453.09224. US Patent No. 4,453.092

25. Патент США №3.566.28925. US Patent No. 3,566.289

26. Патент США №4.059.808 (фиг.2)26. US patent No. 4.059.808 (figure 2)

27. Патент США №3.649.92627. US Patent No. 3,649,926

28. Патент США №4.714.894 (фиг.1)28. US patent No. 4.714.894 (figure 1)

29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.29. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M.: Radio and Communications, 1989.

30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис. 5.52.30. M. Herpy. Analog integrated circuits. - M.: Radio and Communications, 1983, p. 174, Fig. 5.52.

31. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов. - Л., 1979. - 148 с.31. Operational amplifiers with direct connection of cascades [Text] / V.I. Anisimov, M.V. Kapitonov, N.N. Prokopenko, Yu.M. Sokolov. - L., 1979. - 148 p.

Claims (1)

Комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами соответствующих первого (3) и второго (4) выходных транзисторов с объединенными базами, а базы подключены к соответствующим первому (5) и второму (6) входам устройства, первый (7) и второй (8) вспомогательные транзисторы, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, первые (10), (11) токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, вторые (12), (13) токовые выходы устройства, связанные с коллекторами первого (3) и второго (4) выходных транзисторов, причем коллекторы первого (7) и второго (8) вспомогательных транзисторов связаны с первой (14) шиной источника питания, а первый (9) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (15) шиной источника питания, отличающийся тем, что между эмиттером второго (8) вспомогательного транзистора и второй (15) шиной источника питания включен первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, между эмиттером первого (7) вспомогательного транзистора и второй (15) шиной источника питания включен второй (16) токостабилизирующий двухполюсник, база первого (7) вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого (1) входного транзистора, база второго (8) вспомогательного транзистора соединена с эмиттером второго (2) входного транзистора, эмиттер первого (1) входного транзистора связан с эмиттером первого (3) выходного транзистора через первый (17) дополнительный резистор, эмиттер второго (2) входного транзистора связан с эмиттером второго (4) выходного транзистора через второй (18) дополнительный резистор, а между эмиттерами первого (7) и второго (8) вспомогательных транзисторов включены два последовательно соединенных третий (19) и четвертый (20) дополнительные резисторы, общий узел которых подключен к объединенным базам первого (3) и второго (4) выходных транзисторов. A complementary input stage of a high-speed operational amplifier containing the first (1) and second (2) input transistors whose emitters are connected to the emitters of the corresponding first (3) and second (4) output transistors with integrated bases, and the bases are connected to the corresponding first (5) and the second (6) inputs of the device, the first (7) and second (8) auxiliary transistors, the first (9) current-stabilizing bipolar, the first (10), (11) current outputs of the device associated with the collectors of the first (1) and second (2 ) input transistors, second (12), (13) the current outputs of the device associated with the collectors of the first (3) and second (4) output transistors, and the collectors of the first (7) and second (8) auxiliary transistors are connected to the first (14) bus of the power source, and the first (9) current-stabilizing two-terminal device is connected to the second (15) bus of the power source, characterized in that the first (9) current-stabilizing two-terminal device is connected between the emitter of the second (8) auxiliary transistor and the second (15) bus of the power source, between the emitter of the first (7) auxiliary transistor and second (15) the second (16) current-stabilizing two-terminal device is connected by the power supply bus, the base of the first (7) auxiliary transistor is connected to the emitter of the first (1) input transistor, the base of the second (8) auxiliary transistor is connected to the emitter of the second (2) input transistor, the emitter of the first (1) the input transistor is connected to the emitter of the first (3) output transistor through the first (17) additional resistor, the emitter of the second (2) input transistor is connected to the emitter of the second (4) output transistor through the second (18) additional cut the source, and between the emitters of the first (7) and second (8) auxiliary transistors, two additional resistors are connected in series, the third (19) and fourth (20), the common node of which is connected to the combined bases of the first (3) and second (4) output transistors .

Images