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 /./ Analogue 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 Amp)}, а також [З] {Высокоскоростные операционные усилители фирмы Analog Devices// Электронные компоненты и системы. - Київ; Вид. фірми VD MAIS, 1997, N 1, с.7}. Недолік першого аналога - недостатня широкополосність (швидкість дії), що відзначається у [1,2,3], ва порівнянням з другим аналогом. Другим аналогом є диференціальний підсилювач, що використовується, згідно з [1,2,3], як підсилювач з негативним зворотним зв'язком "за 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 рnр провідності з одним входом та одним виходом; струмовий повторювач типу струмового дзеркала nрn провідності з одним входом та одним виходом; повторювач напруги. Неінвертуючий та інвертуючий входи балансного підсилювального каскаду є входами диференціального підсилювача (у цілому), перший його вихід з'єднаний із входом струмового повторювача рnр провідності, а другий вихід - із входом струмового повторювача nрn 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 рівних, nрn і рnр, 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, nрn і рnр, емітери яких з'єднані і являють собою інвертуючим вхід каскаду, бази з'єднані з базами перших двох транзисторів тих же типів провідності, відкритий колектор nрn транзистора є першим виходом, а відкритий колектор рnр транзистора - другим виходом каскаду; два струмозадаючих елемента (джерела струму) з рівними струмами, що 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 KI = 1 [4] (Хоровиц П., Хилл У. Искусство cхемотехники. Т.1. - М.: Мир, 1983), c.123, рис.2.42. Повторювач напруги з коефіцієнтом передачі Кu = 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'єднан з виходом підсилювача, а виход дільника - з інвертуючим входом підсилювача. Сигнал подається на неінвертуючий вхід, а знімається з виходу підсилювача. При цьому, згідно з [1,2], передаточна функція підсилювача (другого аналога) з зовнішнім дільником негативного зворотного зв'язку (1) K(p)=K o/(1+ptекв), де: Ko=1+R2/R1-коефіцієнт передачі на “нульовій” частоті; (2) tекв=(R2+KoRвх-)С » R2C«t стала часу, що визначає частотні властивості підсилювача із зворотним зв'язком; R2 - "верхній" опір дільника; R1 - "нижній" опір дільника; Rвх- - опір інвертуючого (низькоомного) входу підсилювача; С - "паразитна" ємність схеми у виоcокоомній точці з'єднання виходів струмових повторювачів і входу повторювача напруги; t = RC - стала часу підсилювача (без воротного зв'язку); R - високоомний опір схеми, що є паралельним ємності С і обумовлений, зокрема, вихідними опорами струмових повторювачів і вхідним опором повторювача напруги. Істотно зменшена величина сталої часу tекв (2), за порівнянням із t (при R2 « R)» є, як виходить із [1,2], позитивною властивістю другого аналога, що забезпечує його широкополосність. Поряд з вказаною позитивною властивістю, другий аналог, що береться за прототип, володіє недоліком. Вхідний опір його неінвертуючого входу визначається паралельними складовими, одна з яких визначається вхідним опором підсилюючих (других) транзисторів, а друга - опором ланцюга струмозадаючих елементів, Недоліком є шунтування вхідного опору транзисторів вказанним опором ланцюга струмозадаючих елементів. Згідно з викладеним автором поставлено задачу - запропонувати підсилювач, у якому було б усунуто вказаний недолік прототипу і, у той же час, забезпечена його широкополостність. Або інакше: в основу винаходу диференціального підсилювача поставлено задачу - шляхом змінення схеми забезпечити збільшення, у порівнянні з прототипом, опору неінвертуючого входу підсилювача, вилучивши впливання опору ланцюга струмозадаючих елементів. Згідно з висловленим пропонується диференціальний підсилювач (підсилювач 1), що містить nрn транзистор, колектор якого є першим вихідним виводом підсилювача, рnр транзистор, колектор якого є другим вихідним виводом підсилювача, два рn перехідних елемента, p вивід першого з них з'єднаний з n виводом другого, який відрізняється тим, що бази обох транзисторів з'єднані і являють собою неінвертуючий вхід підсилювача, точка з'єднання рn перехідних елементів являє собою інвертуючий вхід підсилювача, емітер nрn транзистора і n вивід першого рn перехідного елемента з'єднані і являють собою перший вивід для підключення джерела струму живлення з вхідним для джерела напрямком струму, емітер рnр транзистора і p вивід другого рn перехідного елемента з'єднані і являють собою другий вивід для підключення джерела струму живлення з вихідним для джерела напрямком струму. Формулювання подано згідно з прототипом, В обмежувальній частині описані ті елементи та їх зв'язки, які є у прототипа і використовуються у диференціальному підсилювачі, що пропонується. Згідно з тим, що пропонується, на високоомному неінвертуючому вході підсилювача відсутній ланцюг струмозадаючих елементів (джерел струму) і, відповідно, вхідний опір підсилювача не шунтується. Джерела струму у запропонованому підсилювачі включені зі сторони низькоомного інвертуючого входу, де їх шунтуюча дія несуттєва. У найпростішому випадку джерелом струму може бути ланцюг, що складається з резистора, якого підключено до джерела напруги живлення. Рn перехідні елементи - узагальнене поняття елементів, для яких визначальними є властивості рn переходу. Це можуть бути діоди, транзистори в рn перехідному включенні (із з'єднаними виводами колектора і бази) та інші елементи. У відношенні до рn перехідних елементів пропонується конкретизація підсилювача: диференціальний підсилювач (підсилювач 2, що залежить від підсилювача 1), який відрізняється тим, що першим рn перехідним елементом є nрn транзистор, база і колектор якого з'єднані і являють собою p вивід, емітер - n вивід, а другим рn перехідним елементом є рnр транзистор, база і колектор якого з'єднані і являють собою n вивід, емітер - p вивід, Вхідний опір низькоомного інвертуючого входу підсилювача 1 дорівнює (за припущенням того, що параметри обох, nрn і рnр, транзисторів ідентичні) Rвх-=Rc/h21e+h11б/2+Грn/2, (3) Де: Rc - опір джерела сигналу, якого підключено до неінвертуючого h h21e - коефіцієнт підсилювання кожного транзистора (за схемою із загальним емітером); h11б - вхідний опір кожного транзистора (за схемою із загальною базою); Грn - динамічний опір рn перехідного елемента, що дорівнює, у випадку використання транзисторів (підсилювач 2), їх опору h11б. Зa результатом, для підсилювача 2 (за рівністю струмів через транзистори і рn перехідні елементи) Rвх-=Rc/h21e+h11б (4) Перші два члени у (3) властиві як для прототипу, так і для запропонованого підсилювача, третій член обумовлений запропонованим підсилювачем, Відповідно, опір (4) для запропонованого підсилювача 1 або 2 є більшим, ніж Rвх-=Rc/h21e+h11б/2 для прототипу. Прототип, окрім диференціального каскаду, містить два струмових дзеркала, що мають по одному виходу. Для усунення впливу Rвх-(3) і (4) на tekв пропонується, на відміну від прототипу, використання струмових дзеркал з двома виходами, саме: диференціальний підсилювач (підсилювач 3, що залежить від підсилювача 1 або 2), який відрізняєшся тим, що уведені струмове дзеркало рnр провідності з двома виходами, вхід якого з'єднаний з першим вихідним виводом підсилювача, струмове дзеркало nрn провідності з двома виходами, вхід якого з'єднаний з другим вихідним виводом підсилювача, перші виходи обох струмових дзеркал з'єднані і являють собою вихід підсилювача, а другі виходи з'єднані з інвертуючим входом підсилювача. Пропонується також конкретизація підсилювача 3 у відношенні до струмових дзеркал: диференціальний підсилювач (підсилювач 4, що залежить від підсилювача 3), який відрізняється тим, що струмові дзеркала містять перший, другий і третій транзистори, колектор і база першого транзистора з'єднані з емітером другого, колектор і база другого транзистора з'єднані 8 емітером третього, колектор і база третього транзистора з'єднані і являють собою вхід струмового дзеркала, групи з n четвертих і s п'ятих транзисторів, бази яких з’єднані а базою першого транзистора, шостий транзистор, емітер якого з'єднаний з колекторами четвертин транзисторів, а колектор являє собою перший вихід струмового дзеркала, і сьомий транзистор, емітер якого з'єднаний в колекторами п'ятих транзисторів, а колектор являє собою другий вихід струмового дзеркала, бази шостого і сьомого транзисторів з'єднані з входом струмового дзеркала, а емітери першого, четвертих и п'ятих транзисторів являють собою виводи для підключення до джерела живлення. Пропонується також, згідно з прототипом, диференціальний підсилювач (підсилювач 5, що залежить від підсилювача 3 або 4), який відрізняєшся тим, що додатково уведений неінвертуючий підсилювальний каскад напруги, вхід якого з’єднаний з виходом підсилювача, а вихід каскаду являє собою новий вихід підсилювача. За результатом: диференціальний підсилювач 1 (а також залежний від нього підсилювач 2 з конкретизацією рn перехідних елементів) мають більш високий, за порівнянням із прототипом, опір неінвертуючого входу (входу, до якого підключається джерело вхідного сигналу). Підсилювач і 1 виділиний, у відміну від аналогічної складової частини прототипу, як самостійний підсилювач, бо він може бути використаний не тільки у складі підсилювача 3; диференціальний підсилювач 3 (а також залежний від нього підсилювач 4 з конкретізацією уведених струмових дзеркал) має більш низький, у порівнянні з прототипом і підсилювачем 1, опір інвертуючого входу (входу, до якого підключається ланцюг зовнішнього "струмового" негативного зворотного зв'язку). При цьому збільшуються точність і широкополосність підсилювача із зворотним зв'язком; диференціальний підсилювач 5 - з уведеним на виході, подібно до прототипу, підсилювальним каскадом, коефіцієнт передачі якого, у відміну від прототипу, може відрізнятися від одиниці. Перелік фігур: Фіг.1 - принципова схема запропонованого диференціального підсилювача 1 із конкретизацією рn перехідних елементів (підсилювач 2), де: VT1 - підсилювальний nрn транзистор; VT2 - підсилювальний pnp транзистор; VT3 – nрn транзистор як перший рn перехідний елемент; VT4 - рnр транзистор як другий рn перехідний елемент; "Bх+" - неінвертуючий вхід підсилювача; "Вх-" - інвертуючий вхід підсилювача; "Вих.1" - перший вихідний вивід підсилювача; "Вих.2" - другий вихідний вивід підсилювача; "↑ I" - перший і другий виводи для підключення джерел струму живлення. Фіг.2 - схема підсилювача 1 (підсилювача 2) з резисторами, що підключені до джерел напруги живлення (для одержання джерел струму живлення), де: R1 - резистор у ланцюгу першого виводу для підключення джерела струму живлення; R2 - резистор у ланцюгу другого виводу для підключення джерела струму живлення; "-Е" - джерело напруги в ланцюгу першого виводу для підключення джерела струму живлення; "+Е" - джерело напруги в ланцюгу другого виводу для підключення джерела струму живлення. Решта позначень - та ж, що й на фіг.1. Фіг.3 - структурна схема запропонованого диференціального підсилювача 3, де; 1 (">") - диференціальний підсилювач 1; 2 ("Ірnр") - струмове дзеркало рnр провідності; З ("Іnpn") - cтрумове дзеркало nрn провідності; "Bx+" - неінвертуючий вхід диференціального підсилювача 3; "Вх-" - інвертуючий вхід диференціального підсилювача 3; "+" - неінвертуючий вхід диференціального підсилювача 1; "-" - інвертуючий вхід диференціального підсилювача 1; "KI1" - коефіцієнт передачі на виходах обох cтрумових дзеркал, що утворюють вихід диференціального підсилювача; "KІ2" - коефіцієнт передачі на других виходах обох струмових дзеркал, що з'єднані з інвертуючим входом підсилювача; "ВихІ" - вихід диференціального підсилювача З, Фіг.4 - структурна cхема запропонованого диференціального підсилювача 5, де: 1, 2 і З - структурні елементи диференціального підсилювача З, фіг.3; 4 ("U") - підсилювальний каскад напруги; "KU" - коефіцієнт передачі підсилювального каскаду напруги; "Вх+" і "Вх-" - неінвертуючий и інвертуючий входи диференціальних підсилювачів 3 і 5; "Вихu" - вихід диференціального підсилювача 5. Фіг.5 - принципова схема струмового дзеркала рnр провідності (для диференціального підсилювача 4). де: VT1 - перший транзистор; VT2 - другий транзистор; VT3 - третій транзистор; VT4 - група, четвертих n транзисторів; VT5 - група п'ятих s транзисторів; VT6 - шостий транзистор; VT7 - сьомий транзистор; "+E" - вивід для підключення джерела живлення; "Bх." - вхід струмового дзеркала; "Вих.1" (КI1) - перший вихід струмового дзеркала;"Вих.2" (KІ2) - другий вихід струмового дзеркала. Фіг.6 - принципова схема струмового дзеркала nрn провідності (для диференціального підсилювача 4), де "-Е" - вивод для підключення джерела живлення, а решта позначень - та, що й на фіг.5. Робота (її особливості) диференціальних підсилювачів і складових частин полягає у слідуючому. У підсилювачах 1 і 2, фіг.1, струми джерел струмів живлення розгалужуються на дві складові, одна з яких є емітерним струмом транзисторів VT1 и VT2, а друга - струмом через рn перехідні елементи (VT3 і VT4 - в підсилювачі 2). Падіння напруги на емітерних переходах транзисторів VT1 і VT2 і на перехідних елементах (VT3 і VT4) рівні. При ідентичності VT1 і VT3 і ідентичності VT2 і VТ4 струми транзисторів і перехідних елементів також рівні. Але якщо площі переходів в VT3 і VT4 менші за площі переходів в VT1 і VT2, струми через перехідні елементи будуть менші за струми через VT1 і VT2. При цьому режим живлення диференціального підсилювача буде більш економічним, але опір перехідних елементів буде більшим. Напруга на перехідних елементах компенсує напругу на емітерних переходах транзисторів, забезпечуючи їх нормальну роботу при нульовій напрузі на базах. Використання струмових дзеркал з двома виходами, другі з яких підключені к інвертуючому входу підсилювача, знижує його вхідний опір, підвищуючи точність та широкополосність підсилювача 5 при включенні за схемою із зворотним зв'язком. Сказане обумовлено слідуючим. Вхідний опір інвертуючого входу, що визначається для диференціальних підсилювачів 1 і 2 через вираження RВХ- (3), для підсилювачів 3 и 4 зменшено у (1+КІ2) разів: Rвх.екз-=Rвх-/(1+КІ2), (5) де КІ2 - коефіцієнт передачі струмового дзеркала за його другим виходом (фіг.3 і 4). А стала часу підсилювача 5 із зовнішнім зворотним зв'язком: (6) tекв=(R2+KoRвх.екв-)С/[КuKI1/(1+KІ2)] При КuKI1/(1+KІ2)»1 (наприклад, при Кu = 1 i KI1 = KІ2) і при R » KoRвх.екв-, що досягається, згідно з (5), при відповідному виборі КІ2 (7) tекв=(R2+KoRвх.екв-)С»R2C Можливість здійснення запропонованих підсилювачів обумовлена тим, що в них використовуються ті ж самі схемні елементи, що у прототипу. Відповідно, запропоновані підсилювачі можуть бути виготовлені за існуючою технологією виготовлення інтегральних схем. Використана література: 1. Barnes E. Current Feedback Amplifiers /7 Analog- Dialogue, 1996, 30-3, p.20; 30-4, p.20 (видання фірми Analog Devices). 2. High Speed Design Techniques. - Вид.фірми Analog Devices, 1998, 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, с.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 // Каталог фірми Texas Instruments, 1992, pp.4-45 - 4-53. Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 Фіг. 5 Фіг. 6