ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/50 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в различных аналоговых устройствах на полевых и биполярных транзисторах в качестве выходного (буферного) усилителя.

Базовым узлом современных аналоговых устройств является широкополосный повторитель напряжения (ШПН), который реализуется как схема с общим стоком (на полевых) или как схема с общим коллектором на биполярных транзисторах. Данная структура (фиг.1) [1-25] широко используется как в аналоговых (класс H03F), так и в цифровых (класс H03K) устройствах. В последнем случае ШПН выполняет функции драйвера - каскада управления линиями связи или согласующей цепи. Как правило, нагрузка известных ШПН [1-25] содержит активное сопротивление R_H и емкость С_н, отрицательно влияющую на малосигнальный диапазон рабочих частот и быстродействие при импульсном изменении входного сигнала большой амплитуды.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический повторитель напряжения, описанный в патенте US 6.043.690 fig.1. Он содержит входной транзистор 1, управляющий вывод которого 2 (затвор) связан с источником входного сигнала 3, инжектирующий вывод 4 (исток) подключен к первой 5 шине источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 6 и соединен с основным выходом устройства 7, а собирающий заряды вывод 8 (сток) связан со второй 9 шиной источника питания, причем основной выход устройства 7 зашунтирован по переменному току эквивалентным, как правило, паразитным конденсатором нагрузки 10.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно имеет сравнительно узкий диапазон рабочих частот для малого сигнала, который определяется постоянной времени цепи нагрузки (τ_в).

Действительно, в первом приближении верхняя граничная частота f_в (по уровню -3 дБ) классического ШПН фиг.1 не лучше чем

$$f_{в}\le \frac{1}{2\pi {\tau }_{в}},\left(1\right)$$

где τ_в - постоянная времени цепи нагрузки. Причем

$${\tau }_{в}\approx \left(\frac{1}{S}\left|\right|R_{н}\right)C_{н},\left(2\right)$$

где S - крутизна входного полевого транзистора ШПН-прототипа фиг.1;

R_н - эквивалентное сопротивление нагрузки;

C_н - эквивалентная емкость нагрузки. Основная задача предлагаемого изобретения - расширение диапазона рабочих частот ШПН при наличии емкости на выходе С_н, которая не может быть уменьшена по объективным причинам - является неотъемлемой частью цепи нагрузки, например, пьезокерамического преобразователя и т.п.

Дополнительная задача - уменьшение времени установления переходного процесса при импульсном изменении входного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном повторителе напряжения фиг.1, содержащем входной транзистор 1, управляющий вывод которого 2 связан с источником входного сигнала 3, инжектирующий вывод 4 подключен к первой 5 шине источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 6 и соединен с основным выходом устройства 7, а собирающий заряды вывод 8 связан со второй 9 шиной источника питания, причем основной выход устройства 7 зашунтирован по переменному току эквивалентным конденсатором нагрузки 10, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный повторитель напряжения 11, вход которого соединен с основным выходом устройства 7, выход связан с дополнительным выходом 12 устройства и через корректирующий конденсатор 13 соединен со входом дополнительного неинвертирующего повторителя тока 14, токовый выход которого связан с основным выходом устройства 12.

На чертеже фиг.1 приведена схема ШПН-прототипа.

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

На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого широкополосного повторителя напряжения фиг.2 на полевом транзисторе в среде компьютерного моделирования Cadence.

На чертеже фиг.4 представлены логарифмические амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению (К_у≤1) ШПН фиг.3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора 13 (фиг.2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого устройства расширяется до 6,4 ГГц, в то время как верхняя граничная частота ШПН-прототипа (по уровню -3 дБ) имеет значение 44 МГц.

На чертеже фиг.5 представлен переходной процесс выходного напряжения ШПН фиг.3 при нарастании входного импульса с амплитудой 1 В и показаны значения времени установления переходного процесса (t_{уст.нар.}) на выходе ШПН фиг.3 при изменении емкости корректирующего конденсатора 13 (Ск). Данные графики показывают, что в предлагаемой схеме фиг.3 быстродействие увеличивается до 47,5 пс, что в 138 раз лучше, чем в ШПН-прототипе.

На чертеже фиг.6 показан переходной процесс ШПН фиг.3 при спадающем входном импульсе и приведены значения времени установления переходного процесса (t_{ycт.спад}.) на выходе ШПН при разных значениях емкости корректирующего конденсатора 13 (Ск).

На чертеже фиг.7 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 на биполярном p-n-p транзисторе в соответствии с п.3 формулы изобретения.

Схема на чертеже фиг.8 реализована на p-n-p составном транзисторе 1, который включает биполярный транзистор 16 и резистор 17.

Широкополосный повторитель напряжения фиг.2 содержит входной транзистор 1, управляющий вывод которого 2 связан с источником входного сигнала 3, инжектирующий вывод 4 подключен к первой 5 шине источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 6 и соединен с основным выходом устройства 7, а собирающий заряды вывод 8 связан со второй 9 шиной источника питания, причем основной выход устройства 7 зашунтирован по переменному току эквивалентным конденсатором нагрузки 10. В схему введен дополнительный повторитель напряжения 11, вход которого соединен с основным выходом устройства 7, выход связан с дополнительным выходом 12 устройства и через корректирующий конденсатор 13 соединен со входом дополнительного неинвертирующего повторителя тока 14, токовый выход которого связан с основным выходом устройства 12.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве входного транзистора 1 используется полевой транзистор, затвор которого соответствует управляющему выводу 2, исток - инжектирующему выводу 4, а сток - собирающему заряды выводу 8 входного транзистора 1.

На чертеже фиг.7, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве входного транзистора 1 используется биполярный n-p-n транзистор, база которого соответствует управляющему выводу 2, эмиттер - инжектирующему выводу 4, а коллектор - собирающему заряды выводу 8 входного транзистора 1.

Схема на чертеже фиг.8 реализована на p-n-p составном транзисторе 1, который включает биполярный транзистор 16 и резистор 17.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Статический режим входного транзистора 1 устанавливается в частном случае двухполюсником 6. Дополнительный повторитель напряжения 11 и дополнительный неинвертирующий повторитель тока 14 в этом случае не влияют на статику схемы.

Изменение входного напряжения передается в цепь нагрузки

где $$K_0=\frac{1}{1+\frac{1}{S_1{R}_{н.экв}}}=\frac{{\dot{U}}_{вых.7}}{{\dot{U}}_{вх}},\left(4\right)$$

$${\tau }_{н}=C_{10}{R}_{15}\Vert \frac{1}{S_1},\left(5\right)$$

Rн.экв=R15 - эквивалентное сопротивление нагрузки;

S₁ - крутизна входного (полевого) транзистора (или $$S_1=r_{э1}^{-1}$$ - крутизна входного биполярного транзистора, где r_э1 - сопротивление эмиттерного перехода биполярного транзистора).

Напряжение передается на выход дополнительного повторителя напряжения 11, что создает входной ( $${\dot{I}}_{13}$$ ), а затем выходной ( $${\dot{I}}_{14}$$ ) токи дополнительного усилителя тока 14:

$${\dot{I}}_{13}=\frac{{\dot{U}}_{вых.7}{\dot{К}}_{у11}}{1/j\omega C_{13}},\left(6\right)$$

$${\dot{I}}_{14}=j{\dot{K}}_{i14}{\dot{K}}_{y11}\omega C_{13}.\left(7\right)$$ .

где $${\dot{K}}_{i14}$$ - комплекс коэффициента передачи по току дополнительного неинвертирующего повторителя тока 14;

$${\dot{K}}_{y11}$$ - комплекс коэффициента передачи по напряжению дополнительного повторителя напряжения 11;

В линейном режиме для комплексов входного ( ) и выходного ( ) напряжений ШПН можно записать следующие уравнения:

$${\dot{U}}_{вых.7}=\frac{{\dot{Z}}_H{\dot{I}}_{u1}}{1-j\omega C_{13}{\dot{K}}_{i14}{\dot{K}}_{y11}}.\left(8\right)$$

$${\dot{U}}_{вх}={\dot{U}}_{вых.7}+{\dot{U}}_{зи},\left(9\right)$$

где $${\dot{U}}_{зи}={\dot{I}}_{u1}/S_1$$ - комплекс напряжения затвор-исток полевого транзистора 1;

S1 - крутизна полевого транзистора 1;

$${\dot{Z}}_H$$ - комплекс эквивалентного сопротивления нагрузки, причем

$${\dot{Z}}_H=\frac{R_{н}}{1+j\omega C_{н}{R}_{н}}.\left(10\right)$$

В результате решения уравнений (6)-(9) можно получить, что в заявляемой схеме ШПУ комплексный коэффициент передачи по напряжению

$${\dot{K}}_y=\frac{{\dot{U}}_{вых.7}}{{\dot{U}}_{вх}}=\frac{1}{1+\frac{1}{S_1{R}_{н}}+j\omega {\tau }_{в}},\left(11\right)$$

где $${\dot{\tau }}_{в}=\left[{С}_{10}-C_{13}{\dot{K}}_{y11}{\dot{K}}_{i14}\right]S_1^{-1}-комплекснаяпостояннаявременицепинагрузки.\left(12\right)$$

Если обеспечить $${\dot{K}}_{y11}=1$$ , $${\dot{K}}_{i14}=1$$ , то условием уменьшения влияния емкости нагрузки С₁₀ на амплитудно-частотную характеристику ШПН фиг.2 будут равенства

$$\{\begin{array}{l}{\tau }_{в}=0\\ \frac{C_{13}}{C_{10}}{K}_{y11}{K}_{i14}=1\end{array}.\left(13\right)$$

Следовательно, при первом приближении емкости конденсаторов 13 и 10 должны удовлетворять условию C₁₃≤C₁₀.

Таким образом, в заявляемой схеме создаются условия для существенного расширения малосигнального диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (и ограничиваться) инерционностью дополнительного неинвертирующего усилителя тока 14 и дополнительного повторителя напряжения 11. Однако, эти функциональные узлы могут быть выполнены на более высокочастотных (чем полевые) биполярных транзисторах, так как для их построения не требуется иметь высокие входные сопротивления и другие свойства, которые недопустимы для входного транзистора 1 (малый уровень шумов, близкая к нулю входная проводимость, широкий диапазон линейной работы и т.п.).

Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в заявляемой схеме решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона истоковых (эмиттерных) повторителей напряжения при малом входном сигнале.

Кроме этого, как следует из графиков фиг.5, фиг.6, в заявляемой схеме при емкостной нагрузке существенно повышается быстродействие в режиме большого сигнала - время установления переходного процесса и скорость нарастания выходного напряжения улучшаются в десятки - сотни раз.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества по диапазону рабочих частот (на малом сигнале) и быстродействию (при импульсном изменении входного напряжения).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.919.743 fig.9

2. Патент US 7.898.339 fig.4

3. Патент US 6.727.729 fig.5B

4. Патент US 7.733.182 fig.1

5. Патент US 6.043.690 fig.1, fig.2

6. Патент US 3.678.402 fig.2, fig.7

7. Патент US 4.855.625 fig.1

8. Патент US 5.469.085 fig.2

9. Патент US 4.492.932 fig.4a

10. Патент US 4.092.701

11. Патент US 4.698.526 fig.2

12. Патент US 6.469.562 fig.A, fig.2A

13. Патент US 6.154.580

14. Патент US 8.248.161

15. Патент US 7.304.540

16. Патент US 7.944.303 fig.1

17. Патент US 8.148.962 fig.2

18. Патент US 4.123.723 fig.2, fig.3

19. Патент US 5.083.095 fig.4

20. Патент US 5.045.808

21. Патент US 4.101.788 fig.2

22. Патент US 3.436.672

23. Патент US 4.168.471

24. Патент 5.365.19

25. Патент US 5.666.070.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот широкополосного повторителя напряжения при наличии емкости на выходе С_н, которая не может быть уменьшена по объективным причинам - является неотъемлемой частью цепи нагрузки, а также уменьшение времени установления переходного процесса при импульсном изменении входного напряжения. Широкополосный повторитель напряжения содержит входной транзистор (1), управляющий вывод которого (2) связан с источником входного сигнала (3), инжектирующий вывод (4) подключен к первой (5) шине источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (6) и соединен с основным выходом устройства (7), а собирающий заряды вывод (8) связан со второй (9) шиной источника питания, причем основной выход устройства (7) зашунтирован по переменному току эквивалентным конденсатором нагрузки (10). В схему введен дополнительный повторитель напряжения (11), вход которого соединен с основным выходом устройства (7), выход связан с дополнительным выходом (12) устройства и через корректирующий конденсатор (13) соединен со входом дополнительного неинвертирующего повторителя тока (14), токовый выход которого связан с основным выходом устройства (12). 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Широкополосный повторитель напряжения, содержащий входной транзистор (1), управляющий вывод которого (2) связан с источником входного сигнала (3), инжектирующий вывод (4) подключен к первой (5) шине источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (6) и соединен с основным выходом устройства (7), а собирающий заряды вывод (8) связан со второй (9) шиной источника питания, причем основной выход устройства (7) зашунтирован по переменному току эквивалентным конденсатором нагрузки (10), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный повторитель напряжения (11), вход которого соединен с основным выходом устройства (7), выход связан с дополнительным выходом (12) устройства и через корректирующий конденсатор (13) соединен со входом дополнительного неинвертирующего повторителя тока (14), токовый выход которого связан с основным выходом устройства (12).

2. Широкополосный повторитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что в качестве входного транзистора (1) используется полевой транзистор, затвор которого соответствует управляющему выводу (2), исток - инжектирующему выводу (4), а сток - собирающему заряды выводу (8) входного транзистора 1.

3. Широкополосный повторитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что в качестве входного транзистора (1) используется биполярный транзистор, база которого соответствует управляющему выводу (2), эмиттер - инжектирующему выводу (4), а коллектор - собирающему заряды выводу (8) входного транзистора (1).