БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H03F3/50 H03F3/26 

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

Одним из классических вариантов построения буферных усилителей являются схемы так называемых «бриллиантовых» транзисторов, которые стали основой современных аналоговых микросхем [1-22]. Предлагаемое изобретение относится к данному классу устройств.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель, представленный в патенте США №5.557.238 fig 6. Эта архитектура присутствует в большем числе других патентов [1-22].

Существенный недостаток известного буферного усилителя состоит в том, что он не обеспечивает широкий диапазон линейного усиления входных сигналов при низкоомной нагрузке (например R_н=50 Ом) и малом собственном токопотреблении в статическом режиме.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении максимально возможного тока в низкоомной нагрузке при малых значениях потребляемых от источников питания в статическом режиме токов. В конечном итоге это расширяет диапазон линейной работы устройства.

Дополнительная цель - повышение входного сопротивления устройства при малых сопротивлениях нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в буферном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены ко входу 3 устройства, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с базой первого 4 выходного транзистора и коллектором первого 5 входного транзистора первого управляемого источника тока, эмиттер второго 2 входного транзистора подключен к базе второго 6 выходного транзистора и коллектору второго 7 транзистора второго управляемого источника тока, причем эмиттеры первого 4 и второго 6 выходных транзисторов соединены с выходом 8 устройства, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные транзисторы, база первого 9 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру второго 2 входного транзистора, база второго 10 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру первого 1 входного транзистора, коллектор первого 9 дополнительного транзистора соединен с базой первого 5 транзистора первого управляемого источника тока, эмиттер первого 9 дополнительного транзистора связан с коллектором первого 1 входного транзистора и первым 11 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор второго 10 дополнительного транзистора подключен к базе второго 7 транзистора второго управляемого источника тока, а эмиттер второго 10 дополнительного транзистора связан с коллектором второго 2 входного транзистора и вторым 12 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником.

На фиг.2 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы БУ прототипа (фиг.3) и заявляемого устройства (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП "Пульсар".

Проходные характеристики БУ фиг.3 и фиг.4 при сопротивлении нагрузки R_н=50 Ом и одинаковом токопотреблении в статическом режиме (I_пот=0,6 мА) показаны на фиг.5.

Буферный усилитель содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены ко входу 3 устройства, эмиттер первого 1 входного транзистора соединен с базой первого 4 выходного транзистора и коллектором первого 5 входного транзистора первого управляемого источника тока, эмиттер второго 2 входного транзистора подключен к базе второго 6 выходного транзистора и коллектору второго 7 транзистора второго управляемого источника тока, причем эмиттеры первого 4 и второго 6 выходных транзисторов соединены с выходом 8 устройства. В схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные транзисторы, база первого 9 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру второго 2 входного транзистора, база второго 10 дополнительного транзистора подключена к эмиттеру первого 1 входного транзистора, коллектор первого 9 дополнительного транзистора соединен с базой первого 5 транзистора первого управляемого источника тока, эмиттер первого 9 дополнительного транзистора связан с коллектором первого 1 входного транзистора и первым 11 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор второго 10 дополнительного транзистора подключен к базе второго 7 транзистора второго управляемого источника тока, а эмиттер второго 10 дополнительного транзистора связан с коллектором второго 2 входного транзистора и вторым 12 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником.

Рассмотрим работу буферных усилителей фиг.1 и фиг.2.

При максимально возможный ток в нагрузке БУ фиг.1 и максимальное выходное напряжение зависят от статического тока эмиттера транзистора 1 (I_э1=I₅) и коэффициента усиления по току базы (β₄) транзистора 4:

При этом в режиме большого сигнала входная проводимость БУ фиг.1 имеет три составляющих:

где β₁ - коэффициент усиления по току базы 1-го транзистора;

у_к1, у_к2 - проводимость коллектор-база транзисторов 1 и 2.

В заявляемом БУ фиг.2 положительное приращение напряжения на входе 3 передается практически с единичным коэффициентом на базу транзистора 4, что приводит к появлению тока базы и тока нагрузки :

или

Ток базы транзистора 4 складывается из двух составляющих

Следует заметить, что максимально возможное значение коллекторного тока транзистора 5 зависит от статического тока (I₁₁) двухполюсника 11

Поэтому максимально возможный ток базы и максимально возможные значения выходного напряжения , для которого проходная характеристика БУ линейна, определяются формулами

Сравнивая (9) и (2) можно сделать вывод о том, что предлагаемый БУ при идентичном токопотреблении в статическом режиме (I₁₁=I₁₂=I₅=I₇) имеет в β₅ раз более высокие уровни максимального тока в нагрузке и характеризуется в β₅ раз более широким диапазоном линейной работы при низкоомных нагрузках (R_н=20÷50 Ом). Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования сравниваемых схем (фиг.5).

Кроме этого, заявляемый БУ имеет более высокие значения входного сопротивления , т.к. его входная проводимость

где K_у1, K_у2 - коэффициенты передачи входного напряжения в коллекторные цепи транзисторов 1 и 2;

Таким образом, в схеме фиг.2 при низкоомной нагрузке R_н входное сопротивление в β₅-раз выше, чем в схеме фиг.1.

Если R_н=∞, то предельное значение R_вх в схеме фиг.2 на один-два порядка выше, чем в схеме фиг.1

,

где r_к1, r_к2 - сопротивления коллекторных переходов первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Таким образом, заявляемое устройство характеризуется более высокими качественными показателями.

Литература

1. Патент США №6.268.769, fig.3.

2. Патент США №6.420.933.

3. Патент США №5.223.122.

4. Патентная заявка США №2004/0196101.

5. Патентная заявка США №2005/0264358, fig.1.

6. Патентная заявка США №2002/0175759.

7. Патент США №5.049.653 fig.8.

8. Патент США №4.837.523.

9. Патент США №5.179.355.

10. Патент Японии №10.163.763.

11. Патент Японии №10.270.954.

12. Патент США №5.170.134, fig.6.

13. Патент США №4.540.950.

14. Патент США №4.424.493.

15. Патент Японии №6310950.

16. Патент США №5.378.938.

17. Патент США №4.827.223.

18. Патент США №6.160.451.

19. Патент США №4.639.685.

20. А.св. СССР №1506512.

21. Патент США №5.399.991.

22. Патент США №6.542.032.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного устройства для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности (буферного усилителя), в структуре входных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях. Технический результат: расширение диапазона линейной работы. Буферный усилитель содержит первый (1), второй (2) входные (Т), базы которых подключены ко входу (3) устройства, эмиттер Т (1) соединен с базой первого (4) выходного Т и коллектором первого (5) входного Т первого управляемого источника тока, эмиттер Т (2) подключен к базе второго (6) выходного Т и коллектору второго (7) Т второго управляемого источника тока, причем эмиттеры Т (4) и Т (6) соединены с выходом (8) устройства. В схему введены первый (9) и второй (10) дополнительные Т, база Т (9) подключена к эмиттеру Т (2), база Т (10) подключена к эмиттеру Т (1), коллектор Т (9) соединен с базой Т (5) первого управляемого источника тока, эмиттер Т (9) связан с коллектором Т (1) и первым (11) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор Т (10) подключен к базе Т (7) второго управляемого источника тока, а эмиттер Т (10) связан с коллектором Т (2) и вторым (12) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником. 5 ил.

Буферный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, базы которых подключены ко входу (3) устройства, эмиттер первого (1) входного транзистора соединен с базой первого (4) выходного транзистора и коллектором первого (5) входного транзистора первого управляемого источника тока, эмиттер второго (2) входного транзистора подключен к базе второго (6) выходного транзистора и коллектору второго (7) транзистора второго управляемого источника тока, причем эмиттеры первого (4) и второго (6) выходных транзисторов соединены с выходом (8) устройства, отличающийся тем, что в схему введены первый (9) и второй (10) дополнительные транзисторы, база первого (9) дополнительного транзистора подключена к эмиттеру второго (2) входного транзистора, база второго (10) дополнительного транзистора подключена к эмиттеру первого (1) входного транзистора, коллектор первого (9) дополнительного транзистора соединен с базой первого (5) транзистора первого управляемого источника тока, эмиттер первого (9) дополнительного транзистора связан с коллектором первого (1) входного транзистора и первым (11) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, коллектор второго (10) дополнительного транзистора подключен к базе второго (7) транзистора второго управляемого источника тока, а эмиттер второго (10) дополнительного транзистора связан с коллектором второго (2) входного транзистора и вторым (12) дополнительным токостабилизирующим двухполюсником.