[LT] Išradimas priskiriamas elektronikai ir mikroelektronikai, konkrečiai - greitiems integriniams operaciniams stiprintuvams.@Siūlomas operacinis stiprintuvas su nebalansiniais įėjimo laipsniais (1, 2), jų darbo režimą užduodančiais srovės šaltiniais (3, 4, 5, 6), srovės veidrodžiais (7, 8), dviejų kaskadų (17, 18) išėjimo laipsniu su jo darbo režimą užduodančiais sudvejintais srovės šaltiniais (19, 20). Diferencialinė įėjimo įtampa įėjimo laipsniuose keičiama į diferencialinius srovės pokyčius, paduodamus į srovės veidrodžius (7, 8), kur jie verčiami į antifazinius srovės pokyčius ir paduodami įžemos varžos išėjimo laipsnio įėjimus. Išėjimo laipsnyje atliekamas tiek įtampos, tiek galios stiprinimas. Grįžtamo ryšio grandinė su srovės šaltiniais (11, 12), tranzistoriais (13, 14), srovės užduodančiomis grandinėmis (15, 16) ir atraminių įtampų šaltiniais (9, 10) stabilizuoja stiprintuvo darbą normaliose sąlygose ir keičiantis išoriniams poveikiams.
[EN] The invention relates to electronics and microelectronics, in particular to fast integrating operating amplifiers. This operating amplifier includes unbalanced inputs (1, 2), current sources (3, 4, 5, 6) determining their mode of operation, reflectors of current (7, 8), output of two stages (17, 18) with double current sources (19, 20) determining its mode of operation. On the inputs differentiating voltage of input is converted into differentiating current changes fed to the reflectors of current (7, 8) where they are converted into antiphased current changes and fed to inputs of low resistance outputs. Amplification of both the voltage and the power is made on the output. A feedback circuit with current sources (11, 12), transistors (13, 14), determining currents (15, 16) and base voltage sources (9, 10) stabilizes operation of the amplifier under normal conditions and on changing of external action.
[0001] išradimas priskiriamas elektronikai ir mikroelektronikai, konkrečiai - greitiems inteariniams operaciniams stiprintuvams.
[0002] Žinomi klasikinės architektūros greiti integriniai operaciniai stiprintuvai su skirtingų laidumo tipų bipoltariniais tranzistoriais, sudaryti iš jėjimo laipsnio balansinio diferencialinio stiprintuvo pagrindu, srovės veidrodžių, stiprinimo laipsnio su dinamine apkrova, išėjimo laipsnio įtampos kartotuvo pagrindu ir srovės šaltinių, reglamentuojančių stiprintuvo darbo režimą. Pagrindinis šio tipo integrinių operacinių stiprintuvų trūkumas yra nepakankamai didelis greitis.
[0003] Taip pat yra žinomi pasižymintys dideliu greičiu transimpedansinio tipo diferencialiniai integriniai stiprintuvai su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, sudaryti iš jtampą j srovę keičiančio jėjimo laipsnio nebalansinės schemos pagrindu, srovės veidrodžių, stiprinimo laipsnio su dinamine apkrova, išėjimo laipsnio jtampos kartotuvo pagrindu ir srovės šaltinių, reglamentuojančių stiprintuvo darbo režimą, pavyzdžiui: EJectronics , 1988 , No 1 , p . 151 - 156 , fig . 2 ir EDN , October 26 , 1989 , p . 212 , fig . 2 .
[0004] Transimpedansiniai diferencialiniai stiprintuvai supaprastintos architektūros dėka pralenkia greičiu klasikinės architektūros integrinius operacinius stiprintuvus, tačiau turi esminių trūkumų, S kurių paminėtini nesimetriniai jėjimai, maža invertuojančio jėjimo varža, didelės jėjimo srovės, didelė postūmio srovė, mažas stiprinimo koeficientas su atvira grįžtamo ryšio grandine. Jėjimų asimetrija ir maža invertuojančio jėjimo varža apsprendžiami pačios transimpedansinio stiprintuvo architektūros. Nesant jėjimo laipsnyje balansinės schemos, jėjimo srovės yra apsprendžiamos ne jėjimo tranzistorių bazių srovių dydžių skirtumo, bet skirtingų laidumo tipų tranzistorių kolektorių srovių dydžių skirtumo, kuris yra žymiai didesnis už bazių srovių dydžių skirtumą. Integrinė technologija neužtikrina skirtingų laidumo tipų tranzistorių parametrų vienodumo tokiu pat mastu, kaip vieno laidumo tipo tranzistorių parametrų vienodumas. Todėl srovių šaltinių su skirtingų laidumo tipų tranzistoriais dydžiai skiriasi, skiriasi ir iš įvairaus poliaringumo maitinimo šaltinių imamų srovių dydžiai. Jų skirtumas didžiąja dalimi teka per stiprintuvo Sėjimą, pasiskirstydamas tarp apkrovos ir grjžtamo ryšio grandinės. Tekanti grjžtamo ryšio grandine šios srovės dale iššaukia signalo persistūmimą ir papildomą stiprintuvo paklaidą. Skirtinguose technologiniuose procesuose suformuoti jvairių laidumo tipų tranzistoriai skiriasi parametrų reakcijos j išorinius poveikius (darbo aplinkos temperatūra, apšvietimas, j onizuojantys poveikiai) dydžiu. Pagaliau, jtampos stiprinimo nebūvimas nebalansiniame jėjimo laipsnyje duoda mažesnj jtampos stiprinimo koeficientą su atvira grjžtamo ryšio grandine lyginant su klasikinės architektūros integriniais operaciniais stiprintuvais.
[0005] Išradimo uždavinys - pateikti greitą integrinj operacinj stiprintuvą, išsaugant) teigiamas transimpedansinio stiprintuvo savybes ir pašalinti jo neigiamas savybes, tame tarpe užtikrinti jėjimų simetriją ir didelę jėjimo varžą abiejuose stiprintuvo jėjimuose, sumažinti jėjimo ir postūmio sroves, padidinti stiprintuvo stiprinimo koeficientą pagal jtampą su atvira grjžtamo ryšio grandine ir jo atsparumą išoriniams poveikiams - darbo aplinkos temperatūros svyravimams, apšvietimui, jonizuojantiems poveikiams.
[0006] Šiuos uždavinius išsprendžia operacinis stiprintuvas su nebalansiniu jėjimo laipsniu, turintis srovės veidrodžius su skirtingų laidumo tipų bipoltariniais tranzistoriais, dinaminės apkrovos grandinę, dvrtaktj išėjimo laipsnj, turintj sužadinimo ir galios kaskados su atitinkamomis diodinėmis suderinimo grandinėmis ir ryšio tranzistoriais, kurių emiteriai yra išėjimo laipsnio jėjimais tuo, kad j jj jvestas papildomas nebalansinis jėjimo laipsnis ir papildomi jo darbą užtikrinantys srovės šaltiniai su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, kurių valdymo jėjimai prijungti prie atitinkamų bendrų atraminių jtampų šaltini ų, papildomo nebalansinio jėjimo laipsnio srovės išėjimai prijungti prie atitinkamų srovės veidrodžių išėjimų, o abiejų nebalansinių jėjimo laipsnių žemos varžos jėjimai sujungti per vidinę arba išorinę fazę koreguojančią grandinę, pavyzdžiui, rezistorių, taip pat jvesti du papildomi srovės šaltiniai su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, kurių valdantys jėjimai prijungti prie atitinkamų bendrų atraminių jtampos šaltinių, išėjimai sujungti vienas su kitu, ir du papildomi skirtingų laidumo tipų bipoltariniai tranzistoriai, kurių bazės prijungtos prie papildomų srovės šaltinių išėjimų sujungimo vietos, kolektoriai prijungti prie atitinkamo poliaringumo maitinimo šinų, o emiteriai per srovę užduodančias grandines, pavyzdžiui, rezistorius, sujungti su atitinkamų atraminių šaltinių valdančiais jėjimais, o išėjimo laipsnio ryšio tranzistorių bazės prijungtos prie atitinkamų bendrų atraminių jtampų šaltinių, o emiteriai prie atitinkamų srovės veidrodžių išėjimų.
[0007] 1 1ig. pateikta operacinio stiprintuvo schema; 2 fig. pateikta alternatyvinė jėjimo laipsnio schema;
[0008] Stiprintuvo jėjimo laipsnj sudaro pagrindinis 1 ir papildomas 2 nebalansiniai jtampos keitikliai j srovę, kurių darbo režimą nustato pirmo 3 su antru 4 ir trečio 5 su ketvirtu 6 srovės šaltinių poros su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, prijungtos atitinkamai taškuose Air E, D ir H; pagrindinio 1 jtampos keitiklio j srovę išėjimai prijungti prie pirmo 7 ir antro 8 srovės veidrodžių su skirtingų laidumo tipų tranzistoriais jėjimų taškuose B ir F, papildomo 2 jtampos keitiklio j srovę išėjimai sujungti su pirmo 7 ir antro 8 srovės veidrodžių Sėjimais taškuose C ir G. Mažos varžos pagrindinio 1 ir papildomo 2 jtampos keitiklių j srovę jėjimai sujungti tarpusavyje per vidinę arba išorinę fazę koreguojančią grandinę Zk, pavyzdžiui/ezistorių. Pagrindinio 1 jtampos keitiklio j srovę didelės varžos jėjimas yra neinvertuojantis operacinio stiprintuvo jėjimas, papildomo 2 jtampos keitiklio j srovę didelės varžos jėjimas yra invertuojantis operacinio stiprintuvo jėjimas. Pirmo 3 ir trečio 5 srovės šaltinių valdymo jėjimai prijungti prie pirmo 9, o antro 4 ir ketvirto 6 srovių šaltinių valdymo jėjimai prijungti prie antro 10 bendrų stiprintuvo atraminių jtampų šaltinių. Prie šių atraminių jtampų šaltinių taip pat atitinkamai prijungti pirmo 11 ir antro 12 papildomų srovės šaltinių su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais valdymo jėjimai, o jų išėjimai sujungti tarpusavyje. Prie šio sujungimo taško prijungtos taip pat pirmo 13 ir antro 14 papildomų skirtingų laidumo tipų tranzistorių bazės, o jų kolektoriai prijungti prie atitinkamo poliaringumo maitinimo šinų, o emiteriai per srovę užduodančias grandines 15 ir 16, pavyzdžiui^rezistorius, prijungti prie pirmo 9 ir antro 10 atraminių jtampų šaltinių valdančių jėjimų. Dvitaktis išėjimo laipsnis su sužadinančiu 17 ir galios stiprinimo 18 kaskadais, valdomas sudvejintų srovės šaltinių 19 ir 20 su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, kurių bazės prijungtos prie pirmo 9 ir antro 10 bendrų atraminių jtampos šaltinių, o emiteriai, esantys išėjimo laipsnio jėjimais, prijungti atitinkamai prie pirmo 7 ir antro 8 srovės veidrodžių išėjimų ir sroves užduodančių grandinių 25, 26 pirmų galų, kurių antri galai prijungti prie atitinkamų maitinimo šinų. Išėjimo laipsnio Sėjimas yra operacinio stiprintuvo išėjimas.
[0009] Operacinis stiprintuvas dirba tokiu būdu. Diferencialinė jėjimo jtampa paduodama tarp invertuojančio ir neinvertuojančio operacinio stiprintuvo jėjimų ir keičiama j diferencialinę srovę tokiu būdu, kad skirtingose jėjimo laipsnio išėjimuose susidaro skirtingų fazių išėjimo srovių pokyčiai. Tie pokyčiai paduodami j pirmą 7 ir antrą 8 srovės veidrodžius tokiu būdu, kad srovės veidrodžių išėjimuose (taškuose C Ir G) srovės veidrodžių atspindėti srovės pokyčiai yra priešingos fazės, negu papildomo 2 jtampos keitiklio j srovę išėjimuose iššaukiami srovės pokyčiai. Klasikinės architektūros integriniuose opraciniuose stiprintuvuose, taip pat prototipuose - transimpedansiniuose stiprintuvuose tai iššaukia signalo jtampos stiprinimą dinaminės apkrovos grandinėje, sustiprintas signalas kartojamas išėjimo laipsnio - jtampos kartotuvo su didele jėjimo varža. Nagrinėjamu atveju srovės veidrodžių išėjimai (taškai C ir G) yra užšuntuoti mažų išėjimo laipsnio jėjimo varžų ir išėjimo laipsnj valdančių srovės šaltinių sroves užduodančių grandinių 25 ir 26, todėl jėjimo laipsnyje stiprinimas pagal jtampą nevyksta, signalas perduodamas j Sėjimo laipsnj skirtingų fazių srovės pokyčiais pirmo 7 ir antro 8 srovės "veidrodžių išėjimuose (taškai C ir G). Tokiu būdu yra pasiekiamas pageidaujamas efektas - išsaugant būdingą transimpedansiniams stiprintuvams signalo formavimo būdą jėjimo laipsnyje, pasiekiamas jo simetriškumas jėjimų atžvilgiu ir užtikrinama aukšta invertuojančio jėjimo varža. Sis darbo algoritmas nepriklauso nuo pirmo 1 ir antro 2 jtampos keitiklių j srovę principinės schemos. Fig. 2 pateikta kita populiari transimpedansiniuose stiprintuvuose naudojama jėjimo keitiklių schema, nagrinėjamu aspektu ji yra ekvivalentiška. Skirtingų fazių srovės pokyčiai iš srovės veidrodžių išėjimų paduodami j išėjimo laipsnio jėjimus - tranzistorių 21, 22 iš vienos pusės ir 23, 24 iš kitos pusės emiterius, kur jie sukelia pirmo 19 ir antro 20 išėjimo laipsnj valdančių srovių šaltinių antifazinius srovės pokyčius. Poromis sujungti sudvejinti valdančios srovės šaltiniai sužadinimo kaskade 17 ir galios stiprinimo kaskade 18 sudaro dinamines apkrovos grandines, taigi išėjimo laipsnis apjungia jtampos stiprinimo ir galios stiprinimo linkcijas. Tai yra antras skiriamasis stiprintuvo funkcionvimo požymis lyginant su klasikine integrinių operacinių stiprintuvų architektūra, taip pat lyginant su transimpedansinių stiprintuvų architektūra, kur jtampos stiprinimas ir galios stiprinimas atliekami skirtinguose laipsniuose.
[0010] Operacinio stiprintuvo struktūra su srovės ryšiu tarp jėjimo ir išėjimo laipsnių užtikrina forsuotą išėjimo laipsnio valdymą (didesnis dinaminis jtampos skirtumas tarp jejimo ir išėjimo sukuria didesnę Sėjimo laipsnio žadinimo srovę), kas duoda pranašumą prieš stiprintuvus su tradiciniu ryšio tarp jėjimo ir išėjimo organizavimu esant talpuminei apkrovai, taip pat didelio signalo režime ribinių dažnių atveju ir didina operacinio stiprintuvo greitj šiomis ekstremaliomis sąlygomis.
[0011] Nors jėjimo laipsnyje signalo stiprinimas pagal įtampą nevyksta, bendras jtampos stiprinimo koeficientas su atvira grjžtamo ryšio grandine priklauso tiek nuo jėjimo, tiek nuo išėjimo laipsnio ir gali būti išreikštas kaip jėjimo laipsnio keitimo statumo S ir išėjimo laipsnio dinaminės apkrovos efektyvumo D sandauga: K=SxD=AUin/Alv x Alv/AUiš, kur AUin - diferencialinės jėjimo jtampos pokytis; Alv - diferencialinis srovės pokytis, pirmo 7 ir antro 8 srovės veidrodžių išėjimo srovių skirtumas; AUiš - išėjimo jtampos pokytis. Išėjimo laipsnio dinaminės apkrovos efektyvumas D priklauso tik nuo naudojamos elementinės bazės ir jo darbo režimo, o jėjimo laipsnio keitimo statumas S nagrinėjamame operaciniame stiprintuve gali būti valdomas konstruktyviai, tokiu būdu užtikrinant aukštą jtampos stiprinimo koeficientą su atvira grjžtamo ryšio grandine. Aukščiau parodyta, kad funkcionavimo aspektu operacinis stiprintuvas yra invariantiškas jėjimo laipsnio jtampos keitiklio j srovę schemai, todėl nekeičiant operacinio stiprintuvo funkcionavimo ypatybių, jo stiprinimo koeficiento su atvira grjžtamo ryšio grandine padidinimui panaudojama schema su srovės dauginimu. Paprasčiausias šio sprendimo realizacijos būdas schemoje 1fig. tai lygiagretus papildomų skirtingų laidumo tipų tranzistorių prijungimas prie išėjimo tranzistorių pagrindiniame 1 ir papildomame 2 jėjimo laipsniuose. Kitokia jėjimo laipsnio schema su srovės dauginimu pateikta fig.3.
[0012] Išėjimo laipsnio darbo režimą nustatantys srovės šaltiniai 3, 4, 5, 6 valdymo {ėjimais prijungti prie pirmo 9 ir antro 10 bendrų atraminių ttampos šaltinių, prie tų pačių šaltinių prijungti papildomi 11 ir 12 srovės šaltinai, kurių išėjimai sujungti tarpusavyje, o neigiamo grjžtamo ryšio per papildomus tranzistorius 13, 14 ir srovę užduodančias grandines 15 ir 16 pagalba pasiekiamas tikslus jų srovių dydžių atitikimas. Tuo pačiu pasiekiamas visų kitų srovės šaltinių porų (3 ir 4, 5 ir 6, 21 ir 23, 22 ir 24) srovių dydžių atitikimas vieno tipo integrinių bipoliarinių tranzistorių technologinio išbarstymo ribose ir sumažinamos operacinio stiprintuvo jėjimo srovės, kurių dydis yra apsprendžiamas skirtingų laidumo tipų tranzistorių pagrindu sudarytų srovės šaltinių išėjimo srovių dydžių skirtumo. Prie bendrų atraminių jtampų prijungti taip pat išėjimo laipsnio srovės šaltinių 19 ir 20 valdymo jėjimai, toku būdu pasiekiamas tikslus stiprintuvo maitinimo srovių iš skirtingo poliaringumo maitinimo šaltinių dydžių atitikimas ir operacinio stiprintuvo signalo postūmio srovės sumažinimas.
[0013] Neigiamo grjžtamo ryšio, apimančio bendrus atraminių jtampų šaltinius, dėka operacinis stiprintuvas išsaugo stabilias charakteristikas keičiantis išoriniams poveikiams. Keičiantis darbo aplinkos temperatūrai, kristalo apšvietimui, jonizuojantiems poveikiams, atsirandant vidiniam fotoefektui skirtingų laidumo tipų bipoliariniai tranzistoriai keičia savo parametrus nevienodai, išlaikydami pokyčių vienodumą vienodo laidumo tipo tranzistoriams. Grįžtamo ryšio pagalba ir pasikeitus tranzistorių parametrams plačiose ribose automatiškai nusistato tokios atraminių jtampų reikšmės, kurios užtikrina vienodas aktyvių grandinių režimus užduodančių srovių reikšmes ir išsaugomos stabilios operacinio stiprintuvo chatakteristikos. Panaudojant sroves už duodančiose grandinėse 15 ir 16 termokompensuojančius elementus, pavyzdžiui, integrinių rezistorių ir diodų kombinacijas, pasiekiamas temperatūriškai kompensuotas stiprintuvo darbo režimas ir stabilios dinaminės charakteristikos aplinkos darbo temperatūrų diapazone.
1. Operacinis stiprintuvas su nebalansiniu jėjimo laipsniu, turintis srovės veidrodžius su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, dinaminės apkrovos grandinę, išėjimo laipsnj ir stiprintuvo darbo režimą reglamentuojančius srovės šaltinius, besiskiriantis tuo, kad j j j jvestas papildomas nebalansinis jėjimo laipsnis ir jo darbo režimą užduodantys srovės šaltiniai, kurių valdymo išvadai prijungti prie atitinkamų bendrų atraminių jtampų šaltinių su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, o papildomo nebalansinio jėjimo laipsnio srovės išėjimai prijungti prie atitinkamų srovės veidrodžių išėjimų, o abiejų jėjimo laipsnių mažos varžos įėjimai sujungti per vidinę arba išorinę koreguojančią grandinę, pavyzdžiui, rezistorių, o išėjimo laipsnis dvitaktis su srove valdomais jėjimais, kurie prijungti prie atitinkamų srovės veidrodžių išėjimų.
2. Operacinis stiprintuvas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad j jėjimo laipsnj jvesta srovės dauginimo schema.
3. Operacinis stiprintuvas pagal 1, 2 punktus, besiskiriantis tuo, kad j jj jvesti du papildomi srovių šaltiniai su skirtingų laidumo tipų bipoliariniais tranzistoriais, kurių valdantys jėjimai prijungti prie atitinkamų bendrų atraminių jtampos šaltinių, o Sėjimai sujungti vienas su kitu, ir du papildomi skirtingų laidumo tipų bipoliariniai tranzistoriai, kurių bazės prijungtos prie papildomų srovės šaltinių išėjimų sujungimo vietos, kolektoriai prijungti prie atitinkamų maitinimo šinų, o emrteriai per srovę užduodančias grandines, pavyzdžiui,rezbtorius, prijungti prie atraminių jtampų šaltinių valdymo jėjimų.
4. Operacinis stiprintuvas pagal 3 punktą, besiskiriantis tuo, kad srovę užduodančios grandinės sudarytos iš termokompensuotų elementų, pavyzdžiui, diodų ir integrinių rezistorių kombinacija.
5. Operacinis stiprintuvas pagal 1-4 punktus, besiskiriantis tuo, kad dvrtakčio išėjimo laipsnio ryšio tranzistorių bazės prijungtos prie bendrų atraminių jtampų šaltinių.