СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ «ПЕРЕГНУТОГО» КАСКОДА
Аннотация
Предлагаются три схемотехнических приема, обеспечивающих (при одновременном
использовании) повышение более чем на два порядка максимальной скорости нарастания
выходного напряжения (SR) микроэлектронных операционных усилителей (ОУ) на биполяр-
ных транзисторах с классической архитектурой, предназначенных для работы в системах
автоматического управления, радиотехники и связи, например, в качестве драйверов
сверхбыстродействующих аналого-цифровых преобразователей (EVIOAS150, EVIOAS350,
AD9208, AD9691, 1273ПВ14 и др.). Рассматриваемые ОУ содержат каскодный входной
каскад с нелинейной коррекцией проходной характеристики и цепью следящей связи, повы-
шающей коэффициент ослабления входных синфазных сигналов и коэффициент подавления
помех по шинам питания, а также промежуточный каскад на основе «перегнутого» кас-
кода. Применение «перегнутого» каскода позволяет повысить эффективность использо-
вания напряжений источников питания, а также увеличить частоту единичного усиления
скорректированного ОУ. Однако, такой промежуточный каскад является существенным
нелинейным звеном, ограничивающим максимальные выходные токи, перезаряжающие
корректирующий конденсатор ОУ. Приводятся результаты компьютерного моделирова-
ния двух модификаций ОУ AmpSR1, AmpSR2, отличающихся друг от друга структурой
нелинейного параллельного канала, устраняющего динамическую перегрузку «перегнутого»каскода. Актуальность выполненных исследований связана с проблемами импортозамеще-
ния в классе быстродействующих ОУ и отсутствием у дизайнеров аналоговых схем новых
и перспективных идей повышения SR ОУ, базирующихся на одновременном использовании
нелинейных и дифференцирующих цепей коррекции переходного процесса в режиме большо-
го сигнала. Рассмотренные схемотехнические приемы эффективны и при использовании
CMOS технологических процессов.
Литература
2. Prokopenko N.N., Budyakov A.S. Arkhitektura i skhemotekhnika bystrodeystvuyushchikh
operatsionnykh usiliteley: monografiya [Architecture and circuitry of high-speed operational
amplifiers: monograph]. Shakhty: Izd-vo YuRGUES, 2006, 231 p.
3. Prokopenko N.N., Dvornikov O.V., Zhuk A.A. High-Speed Operational Amplifier with Differentiating
Transient Correction Circuits, 2022 International Siberian Conference on Control
and Communications (SIBCON), Tomsk, Russian Federation, 2022, pp. 1-4. DOI:
10.1109/SIBCON56144.2022.10002969.
4. Johnson Jeffrey David. Slew rate enhancement circuit, US Patent 6831515 (B2), 2004. 1-11.
5. Sauer Don R. Rail to rail operational amplifier input stage, US Patent 5414388 (A), 1995. 1-7.
6. Rajesh A. Thakkerv, Mayank Shrivastava, Maryam Shojaei Baghini, Dinesh Kumar Sharma,
Ramgopal V. Rao, Mahesh B. Patil. Operational amplifier having improved slew rate, US Patent
8089314 (B2), 2012. 1-11.
7. Steven Obed Smith. Enhanced slew rate in amplifier circuits, US Patent 6456161(B2), 2002. 1-9.
8. Frank Murden, Carl W Moreland. n-bit analog-to-digital converter with n-1 magnitude amplifiers
and n comparators, US Patent 5684419 (A), 1997. 1-23.
9. Yasuo Yamada, Kenji Yokoyama. Operational Amplifier, US Patent Appl. 2007069815, Mar.
29, 2007.
10. Rysin V.S., Tkachenko V.A. Operatsionnyy usilitel', A. sv. SSSR 970638, 30.10.1982 [Operational
amplifier, A. St. USSR 970638, 30.10.1982].
11. Prokopenko N.N., Kryukov V.V., Sergeenko A.I. Patent № 2282303 Rossiyskaya Federatsiya,
MPK8 H03F 3/45. Differentsial'nyy usilitel' s nelineynym parallel'nym kanalom:
№ 2005102144 [Patent No. 2282303 Russian Federation, MPK8 H03F 3/45. Differential amplifier
with non-linear parallel channel: No. 2005102144]; dec. 01/28/2005; publ. 20.08.2006,
Bull. No. 23; applicant SRSUEaS.
12. Prokopenko N.N. Differentsial'nyy usilitel' s povyshennym bystrodeystviem [Differential amplifier
with increased speed], Pribory i tekhnika eksperimenta [Instruments and experimental
technique], 1978, No. 2, pp. 153-154.
13. Anisimov V.I., Kapitonov M.V., Prokopenko N.N., Sokolov Yu.M. Operatsionnye usiliteli s
neposredstvennoy svyaz'yu kaskadov: monografiya [Operational amplifiers with direct connection
of cascades: monograph]. Leningrad: Energiya, 1979, 148 p.
14. Polonnikov D.E. Operatsionnye usiliteli. Printsipy postroeniya, teoriya, skhemotekhnika:
monografiya [Operational amplifiers. Construction principles, theory, circuitry: monograph].
Moscow: Izd-vo «Energoatomizdat», 1983, 216 p.
15. Close J. High speed op amps: Performance, process and topologies, IEEE Bipolar/BiCMOS
Circuits and Technology Meeting (BCTM), Portland, OR, USA, 2012, pp. 1-8. DOI:
10.1109/BCTM.2012.6352648.
16. Prokopenko N. N., Bugakova A.V., Titov A.E., Budyakov P.S. Features of Increasing the Fast
Response of Differential Operational Amplifiers on the Basis of a "Folded" Cascode, 14th
IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT),
1978, pp. 1-3. DOI: 10.1109/ICSICT.2018.8565782.
17. Prokopenko N.N., Pakhomov I.V., Bugakova A.V., Butyrlagin N.V. The method of speeding of the
operational amplifiers based on the folded cascade, 2016 IEEE East-West Design & Test Symposium
(EWDTS), Yerevan, Armenia, 2016, pp. 1-4. DOI: 10.1109/EWDTS.2016.7807722.
18. Prokopenko N.N., Chumakov V.E., Kleymenkin D.V., Sergeenko M.A. Kaskodnyy vkhodnoy
kaskad bystrodeystvuyushchego operatsionnogo usilitelya s nelineynoy korrektsiey
perekhodnogo protsessa: zayavka na patent RF № 2023104265; zayavl. 27.02.23 [Cascode input
stage of a high-speed operational amplifier with non-linear transient correction: RF patent
application No. 2023104265; dec. 27.02.23].
19. Thomas J Robe. Patent US 4151483, 1979-04-24, Radiation-hardened transistor amplifiers, fig. 3.
20. Prokopenko N.N., Dvornikov O.V., Bugakova A.V. Proektirovanie nizkotemperaturnykh i
radiatsionno-stoykikh analogovykh mikroskhem dlya obrabotki signalov datchikov:
monografiya, seriya «Biblioteka studenta» [Design of low-temperature and radiation-resistant
analog microcircuits for processing sensor signals: monograph, series "Student's Library"].
Moscow: SOLON-Press, 2021, 200 p.
