ВЫХОДНОЙ КАСКАД УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2007 года по МПК H03F3/30 H03F3/26 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного буферного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности, в структуре выходных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях.

Известны схемы двухтактных выходных каскадов на n-р-n и р-n-р транзисторах [1], которые стали одним из базовых элементов многих аналоговых микросхем, широко используются в структуре различных УНЧ и операционных усилителях. Благодаря широкому диапазону изменения выходных напряжений, близкому к напряжению питания, такие выходные каскады широко применяются в современной микроэлектронике. На их совершенствование выдано более 50 патентов в разных странах, в т.ч. [1-16].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является выходной каскад, описанный в патенте США №4.714.897, содержащий первый 1 и второй 2 выходные транзисторы разного типа проводимости с объединенными коллекторами, которые связаны с нагрузкой 3, источник опорного тока 4, повторитель тока 5, выход которого 6 объединен с базой первого выходного транзистора 1 и вспомогательной нагрузкой 7, включенной параллельно эмиттерно-базовому переходу первого выходного транзистора 1, причем вход 8 повторителя тока 5 подключен к коллектору первого входного транзистора 9, а база первого входного транзистора 9 соединена с базой второго выходного транзистора 2.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно имеет небольшой максимальный выходной ток для отрицательной полярности входного сигнала. Практически это исключает его применение в качестве выходного каскада операционных усилителей с амплитудой выходного напряжения, близкой к напряжению питания, прежде всего, в тех случаях, когда требуются двуполярные выходные токи в нагрузке.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в обеспечении близких по величине выходных токов в нагрузке при разных полярностях входного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в выходной каскад (ВК) фиг.1, содержащий первый 1 и второй 2 выходные транзисторы разного типа проводимости с объединенными коллекторами, которые связаны с нагрузкой 3, источник опорного тока 4, повторитель тока 5, выход которого 6 объединен с базой первого выходного транзистора 1 и вспомогательной нагрузкой 7, включенной параллельно эмиттерно-базовому переходу первого выходного транзистора 1, причем вход 8 повторителя тока 5 подключен к коллектору первого входного транзистора 9, а база первого входного транзистора 9 соединена с базой второго выходного транзистора 2, вводятся новые элементы и связи - первый 10 и второй 11 дополнительные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны друг с другом и соединены с источником опорного тока 4, причем база первого дополнительного транзистора 10 соединена с источником напряжения смещения 12, а база второго дополнительного транзистора 11 подключена к базе 13 первого входного транзистора 9.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения приведена на фиг.2.

На фиг.3 представлен заявляемый усилитель в соответствии с п.2, а на фиг.4 - п.3 формулы изобретения. На фиг.5 представлены схемы известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар". На фиг.6 показана зависимость токов нагрузки выходного каскада - прототипа от входного напряжения. На фиг.7 дана аналогичная зависимость для заявляемого устройства.

Выходной каскад, фиг.2, содержит первый 1 и второй 2 выходные транзисторы разного типа проводимости с объединенными коллекторами, которые связаны с нагрузкой 3, источник опорного тока 4, повторитель тока 5, выход которого 6 объединен с базой первого выходного транзистора 1 и вспомогательной нагрузкой 7, включенной параллельно эмиттерно-базовому переходу первого выходного транзистора 1, причем вход 8 повторителя тока 5 подключен к коллектору первого входного транзистора 9, а база первого входного транзистора 9 соединена с базой второго выходного транзистора 2. В схему введены первый 10 и второй 11 дополнительные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны друг с другом и соединены с источником опорного тока 4, причем база первого дополнительного транзистора 10 соединена с источником напряжения смещения 12, а база второго дополнительного транзистора 11 подключена к базе 13 первого входного транзистора 9.

В заявляемом устройстве, фиг.3, база второго дополнительного транзистора 11 подключена к базе 13 первого входного транзистора 9 через эмиттерный повторитель 14.

В устройстве фиг.4 эмиттеры первого 10 и второго 11 дополнительных транзисторов соединены друг с другом через вспомогательный резистор 15. Обозначение и наименование остальных элементов схемы фиг.4 соответствует описанию фиг.3 и фиг.2 настоящей заявки.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.3).

В статическом режиме эмиттерный ток транзистора 11 близок к нулю, что обеспечивается соответствующим выбором напряжения источника смещения Е_с. При положительной полуволне входного напряжения заявляемый выходной каскад работает так же как и каскад-прототип - отрицательное приращение тока нагрузки 3 обеспечивается транзистором 2, транзистор 1 - заперт.

При отрицательном приращении напряжения на входе следует выделить два участка проходной характеристики i_н=f(u_вх). Первый участок - когда за счет выбора напряжения смещения Е_с транзистор 11 закрыт. Второй участок - когда под действием практически полностью запираются транзисторы 9 и 2, а дальнейшее приращение тока в нагрузке обеспечивается транзисторами 11 и 10. При этом приращение тока коллектора транзистора 10 передается на выход в нагрузку 3 через повторитель тока на элементах 7 и 1.

В результате введения новых связей проходная характеристика ВК становится симметричной (фиг.7) - положительные и отрицательные значения максимального выходного тока становятся приблизительно одинаковыми (I_н.max=300-400 мА). За счет выбора напряжения смещения Е_с можно обеспечить достаточно линейный участок характеристики вблизи U_вх≈1,5 В.

Источники информации

1. Патент США №4.714.897 (прототип).

2. Патент США №6.104.244.

3. Патент США №5.825.228.

4. Патент США №6.078.220.

5. Патент США №4.661.781.

6. Патент США №4.990.863.

7. Патент США №5.376.897.

8. Патент США №5.440.273.

9. Патент США №6.084.477.

10. Патент США №6.542.032.

11. Патентная заявка США 2005/0280469 A1.

12. Патент США №6.028.481.

13. Патент США №5.963.093.

14. Патент США №5.491.437.

15. Патент США №5.357.188.

16. А.св. СССР 601799.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного буферного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности, в структуре выходных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях. Технический результат заключается в повышении симметричности положительных и отрицательных значений выходного тока. Выходной каскад усилителя мощности содержит выходные транзисторы (Т) (1, 2) разного типа проводимости с объединенными коллекторами, которые связаны с нагрузкой (3), источник опорного тока (4), повторитель тока (ПТ) (5), выход которого (6) объединен с базой выходного Т (1) и вспомогательной нагрузкой (7), включенной параллельно эмиттерно-базовому переходу выходного Т (1), причем вход (8) ПТ (5) подключен к коллектору первого входного Т (9), а база входного Т (9) соединена с базой выходного Т (2). В схему введены первый (10) и второй (11) дополнительные Т разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны друг с другом и соединены с источником опорного тока (4), причем база Т (10) соединена с источником напряжения смещения (12), а база Т (11) подключена к базе (13) Т (9). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Выходной каскад усилителя мощности, содержащий первый и второй выходные транзисторы разного типа проводимости с объединенными коллекторами, которые связаны с нагрузкой, источник опорного тока, повторитель тока, выход которого объединен с базой первого выходного транзистора и вспомогательной нагрузкой, включенной параллельно эмиттерно-базовому переходу первого выходного транзистора, причем вход повторителя тока подключен к коллектору первого входного транзистора, а база первого входного транзистора соединена с базой второго выходного транзистора, отличающийся тем, что в схему введены первый и второй дополнительные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны друг с другом и соединены с источником опорного тока, причем база первого дополнительного транзистора соединена с источником напряжения смещения, а база второго дополнительного транзистора подключена к базе первого входного транзистора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что база второго дополнительного транзистора подключена к базе первого входного транзистора через эмиттерный повторитель.3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов соединены друг с другом через вспомогательный резистор.