Диференціальний підсилювач

Винахід відноситься до мікроелектроніки, зокрема - до аналогових підсилювальних пристроїв. Першим аналогом підсилювача, що заявляється, є звичайний операційний підсилювач, що використовується як підсилювач з негативним зворотним зв'язком "за напругою": [1] (Barnes E. Current Feedback Amplifiers // Analog Dialogue, 1996, 30-3, p. 20; 30-4, p. 20 (видавництво фірми Analog Devices)), [2] (High Speed Design Techniques. Вид. фірми Analog Devices, 1996, p. 1 - 2 (Voltage Feedback (VFB) Op Amp); p. 1 - 12 (Current Feedback (CFB) Op Аmр)), а також [3] (Высокоскоростные операционные усилители фирмы Analog Devices // Электронные компоненты и системы. - Київ: Вид. фірми VD MAIS, 1997, №1, с. 7). Недолік першого аналога - недостатня широкополосність (швидкість дії), що відзначається у [1, 2, 3], за порівнянням із другим аналогом. Другим аналогом є диференціальний підсилювач, що використовується, згідно з [1,2,3], як підсилювач з негативним зворотним зв'язком "ва струмом". Другий аналог містить: - балансний підсилювальний каскад з неінвертуючим високоомним та інвертуючим низькоомним входами і двома, першим та другим, струмовими виходами; - струмовий повторювач типу струмового дзеркала pnp провідності з одним входом та одним виходом; - струмовий повторювач типу струмового дзеркала npn провідності з одним входом та одним виходом; - повторювач напруги. Неінвертуючий та інвертуючий входи (балансного підсилювального каскаду в входами диференціального підсилювача (у цілому), перший його вихід з'єднаний із входом cтрумового повторювача pnp провідності, а другий вихід - із входом cтрумового повторювача npn провідності, виходи струмових повторювачів з'єднані між собою та з входом повторювача напруги, вихід якого є виходом диференціального підсилювача (у цілому). Балансний підсилювальний каскад містить: два перших транзистора різних, npn і pnp, типів провідності, емітери яких з'єднані та являють собою неінвертуючий вхід каскаду, колектор і база кожного з транзисторів з'єднані між собою, два других транзистора різного типу провідності, npn і pnp, емітери яких з'єднані і являють собою інвертуючим вхід каскаду, бази з'єднані з базами перших двох транзисторів тих же типів провідності, відкритий колектор npn транзистора є першим виходом, а відкритий колектор pnp транзистора - другим виходом каскаду; два струмозадаючих елемента (джерела струму) з рівними струмами, ар включені між колекторами перших двох транзисторів і виводами каскаду для підключення джерел живлення. При розгляді схеми підсилювача у [2, 3] вхідні транзистори, що використовуються у діодному включенні (при з'єднані бази з колектором), еквівалентно показані у вигляді діодів. Струмові повторювачі типу струмового дзеркала відомі і використовуються у аналогу, що розглядається, з коефіцієнтами передачі K1 - 1 [4] (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. - М.: Мир, 1983), с. 123, рис. 2.42. Повторювач напруги з коефіцієнтом передачі KU 1 також відомий [4], с. 160, рис. 3.8. Другий аналог, що розглядається, як і перший, використовується за відомою схемою включення з негативним зворотним зв'язком [4], с. 159, рис. 3.5. Вхід дільника напруги негативного зворотного зв'язку з'єднав 9 виходом підсилювача, а вихід дільника - з інвертуючим входом підсилювача. Сигнал подається на неінвертуючий вхід, а знімається 8 виходу підсилювача. При цьому, згідно з [1, 2], передаточна функція підсилювача (другого аналога) з зовнішнім дільником негативного зворотного зв'язку (1) K(р) = K0/(1 + ptекв), Де: K0 = 1 + R2/R1 - коефіцієнт передачі на "нульовій" частоті; (2) tекв = (R2 + K0Rвх-)C ≈ R2C ) - диференціальний підсилювальний каскад; 2 (I pnp) - струмове дзеркало pnp провідності з двома виходами; 3 (I npn) - струмове дзеркало npn провідності з двома виходами; "Вх+" - неінвертуючий вхід диференціального підсилювача; "Вх-" - інвертуючий вхід диференціального підсилювача; "+" - неінвертуючий вхід диференціального каскаду; "-" - інвертуючий вхід диференціального каскаду; KI1 - коефіцієнт передачи тих виходів обох струмових дзеркал, що утворюють вихід диференціального підсилювача; KІ2 - коефіцієнт передачи других виходів обох струмових дзеркал (що з'єднані з інвертуючим входом підсилювача). - Фіг.2 - структурна схема диференціального підсилювача 3, що пропонується, де: 1 - структурний елемент диференціального підсилювача 1 (фиг.1); 2 - структурний елемент диференціального підсилювача 1 (фиг.1); 3 - структурний елемент диференціального підсилювача 1 (фиг.1); 4 (U) - підсилювальний каскад напруги; KU - коефіцієнт передачи підсилювального каскаду напруги; "Вх+" і "Вх-" - неінвертуючий та інвертуючий входи диференціальних підсилювачів 1 і 3; "Вих" - вихід диференціального підсилювача 3. - Фіг.3 - принципова схема струмового дзеркала pnp провідності, що пропонується, де: VT1 - перший транзистор; VT2 - другий транзистор; VТ3 - третій транзистор; VT4 - група четвертих л транзисторів; VT5 - група п'ятих s транзисторів; VT6 - шостий транзистор; VT7 - сьомий транзистор; +E - вивід для підключення джерела живлення; Вх. - вхід струмового дзеркала; Вих.1 (KI1) - перший вихід струмового дзеркала; Вих.2 (KI2) - другий вихід струмового дзеркала. - Фіг.4 - принципова схема струмового дзеркала npn провідності, що пропонується, де "-Е" - вивід для підключення джерела живлення, а інші позначення - ті ж самі, що і на фіг.3. Робота диференціального підсилювача, що пропонується, у відміну від прототипа характеризується слідуючим. Стала часу підсилювача із зовнішнім зворотним зв'язком, у відміну від (2): (5) tекв = [R2 + Κ0Rвх-/(1 + ΚI2)]C / [KUΚI1/(1 + KΙ2)], де Rвх-/(1 + KІ2) - опір інвертуючого входу підсилювача, що зменшений у (1 + KІ2) разів. За KUΚI1/(1 + KΙ2) = 1 (6) tекв = [R2 + Κ0Rвх-/(1 + ΚI2)]C. За KU = 1, KI1 = KІ2 >>1 і, відповідно, за KUΚI1/(1 + KΙ2) ≈ 1, (7) tекв ≈ [R2 + Κ0Rвх-/(1 + ΚI2)]C. За Κ0Rвх-/(1 + ΚI2)] 1, стала часу, згідно з (6) и (7), (8) tекв ≈ R2C. Таким чином, у відміну від прототипа, завдяки двом виходам струмових дзеркал із KI1 >> 1 та KІ2 >> 1, опір інвертуючого входу підсилювача зменшено, і стала часу визначається, в основному, опором R2. При цьому також збільшилася у 1 + KІ2 разів складова опору неінвертуючого входу, що перелічується із ланцюга інвертуючого входу, і підвищилася точність передачі вхідного сигналу з неінвертуючого на інвертуючий вхід і, відповідно, на вихід підсилювача, що охоплений негативним зворотним зв'язком, що теж є позитивним результатом. Высокий вихідний опір і мала вихідна ємність струмових дзеркал забезпечуються, по-перше, вказаним вище використанням по одному вихідному транзистору VT6 і VT7 у ланцюгах з декількома підсилюваючими транзисторами V74 і VT5. По-друге, режим транзисторів VT6 і VT7 відповідає режиму включення за схемою із загальною базою, з вихідним опором і вихідною ємністю, що дорівнюють rK і СK - опору і ємності колекторного переходу. Істотним є те, що високий вихідний опір і мала вихідна ємність струмових дзеркал забезпечуються за наявністю у дзеркал двох виходів. Можливість здійснення винаходу підтверджується, по-перше, описаним вище. По-друге, запропонований диференціальний підсилювач складається з тих же стандартних елементів, що й прототип. Тобто він може бути реалізований у інтегральному виконанні за допомогою відомих та освоєних інтегральних технологій. Використана література; 1. Barnes Е. Current Feedback Amplifiers // Analog Dialogue, 1996, 30-3, p. 20; 30-4, p. 20 (видання фірми Analog Devices). 2. High Speed Design Techniques. - Вид. фірми Analog Devices, 1996, p. 1 - 2 (Voltage Feedback (VFB) Op Amp); p. 1 - 12 (Current Feedback (CFB) Op Amp). 3. Высокоскоростные операционные усилители фирмы Analog Devices // Электронные компоненты и системы. - Київ: Вид. фірми VD MAIS, 1997, №1, c. 7. 4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1. - М.: Мир, 1983 (переклад книги: Paul Horowitz, Winfield Hill. The Art of Electronics. Camdridge University Press, 1980). 5. Linear Circuit Data Book. - Вид. фірми Texas Instruments, 1992, pp. 445 - 4-53 (Каталог фірми).