БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H03F3/45 H03F1/34 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя аналоговых интерфейсов различного функционального назначения (например, повторителях сигналов, драйверов линий связи и т.п.).

Известны схемы буферных усилителей (БУ) на основе операционных усилителей со 100% обратной связью [1-8], которые стали основой многих серийных изделий, выпускаемых как зарубежными, так и российскими микроэлектронными фирмами.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель, описанный в патенте фирмы Motorola (США) №4.042.886 fig.1, содержащий токовое зеркало 1, входной дифференциальный каскад 2 с первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 и базой составного транзистора 5, эмиттер которого соединен с выходом устройства 6 и цепью нагрузки 7.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он характеризуется сравнительно небольшим петлевым усилением, что отрицательно сказывается на его динамических параметрах - дифференциальном выходном сопротивлении в схеме с обратной связью, динамической ошибке передачи сигнала и др. [9].

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в увеличении петлевого усиления. Дополнительная цель - в уменьшении напряжения смещения нуля (U_см).

Поставленная цель достигается тем, что в известном буферном усилителе (фиг.1), содержащем токовое зеркало 1, входной дифференциальный каскад 2 с первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 и базой составного транзистора 5, эмиттер которого соединен с выходом устройства 6 и цепью нагрузки 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 8 и второй 9 дополнительные каскады усиления на транзисторах по схеме с общей базой, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1 через первый 8 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 через второй 9 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, причем общие выводы 10 и 11 первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой соединены друг с другом и подключены к эмиттеру выходного составного транзистора 5.

На фиг.1 показана схема БУ-прототипа.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 показан частный случай выполнения составного транзистора 5, а также первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах 13 и 14 по схеме с общей базой..

На фиг.4 показана схема фиг.2 для случая, когда входной дифференциальный каскад 2 реализован на основе «перегнутого» каскода.

На фиг.5 приведена схема БУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.6 показана схема БУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.7 - амплитудно-частотная характеристика его коэффициента усиления без обратной связи.

На фиг.8 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.9 - амплитудно-частотная характеристика его коэффициента усиления без обратной связи.

Буферный усилитель (фиг.2) содержит токовое зеркало 1, входной дифференциальный каскад 2 с первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 и базой составного транзистора 5, эмиттер которого соединен с выходом устройства 6 и цепью нагрузки 7. В схему введены первый 8 и второй 9 дополнительные каскады усиления на транзисторах по схеме с общей базой, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1 через первый 8 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 через второй 9 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, причем общие выводы 10 и 11 первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой соединены друг с другом и подключены к эмиттеру выходного составного транзистора 5.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, эмиттер выходного составного транзистора 5 соединен также с выходом устройства 6 через цепь согласования потенциалов 12.

На фиг.3 показан частный случай выполнения составного транзистора 5, а также первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах 13 и 14 по схеме с общей базой.

На фиг.4 показана схема (фиг.2) для случая, когда входной дифференциальный каскад 2 реализован на основе транзисторов 18-20, двухполюсников 21, 22 и выходных транзисторов 23 и 24.

На фиг.5, в соответствии с п.3 формулы изобретения, эмиттер выходного составного транзистора 5 связан с общими выводами 10 и 11 первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой через вспомогательный повторитель напряжения 25, реализованный на основе элементов 26-28.

Рассмотрим причины, способствующие снижению напряжения смещения нуля U_см схемы фиг.3.

Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 2 равен 2I₀, то токи выходов 3 и 4

где I_б.р - ток базы входных n-р-n-транзисторов, образующих входной дифференциальный каскад 2.

С учетом первого закона Кирхгофа можно найти токи коллектора транзисторов 13 и 14

где I_б.13(I_б.14) - ток базы транзистора 13 (14).

Поэтому сумма токов в узле «А» при коэффициенте передачи по току подсхемы 1 (например, токового зеркала Вильсона), равном единице

Учитывая, что I_б.13=I_б.14, из (4) следует, что сумма токов в узле «А» равна нулю, т.е. разностный ток I_p, являющийся причиной появления U_см, I_р=0.

Вследствие воздействия, например, радиации, токи I_б.13 и I_б.14 изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I_p≈0, так как изменения I_б.13 и I_б.14 одинаковы. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_р в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u_вх ДУ (фиг.3) в выходной ток узла «А»

где r_э15=r_э16 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 2.

Поэтому для схем (фиг.3)

где

φ_т≈26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе (фиг.1) I_p≠0 и U_см≠0

где β₅=30÷50 - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.

Поэтому в схеме (фиг.1) систематическая составляющая U_см получается как минимум на порядок больше (фиг.6, U_см=534 мкВ), чем в заявляемой схеме (фиг.8, U_см=20 мкВ).

Введение новых элементов в соответствии с формулой изобретения повышает коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи).

Действительно, замечательной особенностью предлагаемого усилителя является повышение (более чем на порядок) коэффициента усиления БУ по напряжению К_у без обратной связи. Для БУ-прототипа (фиг.1)

где r₁ - выходное сопротивление токового зеркала 1;

r₄ - выходное сопротивление дифференциального каскада 2 относительно выхода 4;

R_вх.5 - эквивалентное сопротивление нагрузки R_н, приведенное к узлу «А»;

- крутизна входного дифференциального каскада 2, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов транзисторов 15 и 16 (r_э15, r_э16);

β₅ - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.

В связи с этим при β>50 и R_н≥1 кОм эквивалентное сопротивление R_экв в узле «А» определяется транзисторами 15 и 16

где µ≈10^-3 - коэффициент внутренней обратной связи транзистора 16.

Поэтому численные значения предельного коэффициента усиления БУ по напряжению (фиг.1)

В предлагаемом устройстве (фиг.2-5) максимально возможный коэффициент усиления Поэтому за счет минимизации влияния статического режима на разность коэффициентов внутренней обратной связи µ₁₅-µ₁₆ транзисторов 15 и 16 коэффициент усиления по напряжению K_y схемы фиг.2 (фиг.3-4) возрастает более чем на порядок. Действительно, компьютерное моделирование (фиг.7 и 9) показывает, что заявляемый БУ имеет более чем на 30 дБ большее усиление в схеме без обратной связи (K_y>10⁴ или 100 дБ). Повышение K_y и, как следствие, петлевого усиления, оказывает положительное влияние на ряд динамических параметров буферного усилителя [9].

Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высокими качественными показателями, что позволяет рекомендовать его для массового применения в архитектуре аналоговых интерфейсов (особенно в тех случаях, когда требуются десятки-сотни операционных усилителей с малой потребляемой мощностью).

Библиографический список

1. Патент США №4.042.886.

2. Патент Японии JP 10032437.

3. Патент Японии JP 2005033558.

4. Патент США №4.595.883, fig.4.

5. Патентная заявка США №2005/0063270А1, fig.2.

6. Патент США №5.166.638, fig.1.

7. Патент США №5.537.081, fig.3.

8. Патент США №6.114.904.

9. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л., 1979. - 148 с.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя (БУ) аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, повторителях сигналов с высоким к.п.д. и повышенным петлевым усилением). Технический результат: увеличение петлевого усиления. БУ содержит токовое зеркало (ТЗ) (1), входной дифференциальный каскад (ДК) (2) с первым (3) и вторым (4) токовыми выходами, первый (3) токовый выход входного ДК (2) связан со входом ТЗ (1), второй (4) токовый выход входного ДК (2) связан с выходом ТЗ (1) и базой составного транзистора (Т) (5), эмиттер которого соединен с выходом устройства (6) и цепью нагрузки (7). В схему введены первый (8) и второй (9) дополнительные каскады усиления на Т, включенных по схеме с общей базой, первый (3) токовый выход входного ДК (2) связан со входом ТЗ (1) через первый (8) дополнительный каскад усиления, второй (4) токовый выход входного ДК (2) связан с выходом ТЗ (1) через второй (9) дополнительный каскад усиления, причем общие выводы (10) и (11) первого (8) и второго (9) дополнительных каскадов усиления соединены друг с другом и подключены к эмиттеру выходного составного Т (5). 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Буферный усилитель, содержащий токовое зеркало (1), входной дифференциальный каскад (2) с первым (3) и вторым (4) токовыми выходами, первый (3) токовый выход входного дифференциального каскада (2) связан со входом токового зеркала (1), второй (4) токовый выход входного дифференциального каскада (2) связан с выходом токового зеркала (1) и базой составного транзистора (5), эмиттер которого соединен с выходом устройства (6) и цепью нагрузки (7), отличающийся тем, что в схему введены первый (8) и второй (9) дополнительные каскады усиления на транзисторах по схеме с общей базой, первый (3) токовый выход входного дифференциального каскада (2) связан со входом токового зеркала (1) через первый (8) дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, второй (4) токовый выход входного дифференциального каскада (2) связан с выходом токового зеркала (1) через второй (9) дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, причем общие выводы (10) и (11) первого (8) и второго (9) дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой соединены друг с другом и подключены к эмиттеру выходного составного транзистора (5).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттер выходного составного транзистора (5) соединен с выходом устройства (6) через цепь согласования потенциалов (12).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттер выходного составного транзистора (5) связан с общими выводами (10) и (11) первого (8) и второго (9) дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой через вспомогательный повторитель напряжения (25).