БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДРАЙВЕР ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/34 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на емкостную нагрузку).

Известны схемы драйверов линий связи, построенных на основе операционных усилителей с отрицательной обратной связью, которые стали основой многих серийных микросхем первого и второго поколения [1-7].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является драйвер с емкостной нагрузкой, описанный в книге Достала И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982, с.447, рис.13.18, содержащий источник сигнала 1, связанный со входом буферного каскада 2, выход которого 3 подключен к конденсатору цепи нагрузки 4.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он характеризуется сравнительно низким быстродействием из-за влияния конденсатора цепи нагрузки 4 на переходный процесс выходного напряжения.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширении диапазона его рабочих частот.

Поставленная задача достигается тем, что в драйвере емкостной нагрузки (фиг.1), содержащем выходной каскад 1, вход которого соединен с источником входного сигнала 2, а выход 3 подключен к конденсатору цепи нагрузки 4, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен преобразователь «напряжение-ток» 5, потенциальный вход которого соединен с выходом 3 выходного каскада 1, потенциальный выход 6 соединен с цепью коррекции 7, первый 8 токовый выход подключен ко входу первого 9 токового зеркала, согласованного с первой 10 шиной источника питания, второй 11 токовый выход подключен ко входу второго 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания, токовые выходы первого 9 и второго 12 токовых зеркал связаны с выходом 3 выходного каскада 1, причем приращение токов первого 8 и второго 11 токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» 5 для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции 7.

На фиг.1 приведена схема драйвера-прототипа, где R_вых - выходное сопротивление операционного усилителя.

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

На фиг.3 показана схема 5 преобразователя «напряжение-ток» в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 показан пример практического использования заявляемого устройства фиг.2 для управления дифференциальной линией связи, содержащей два конденсатора цепи нагрузки 4 и 4* и два противофазных источника входных напряжений 2 и 2*.

На фиг.5 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice при реализации преобразователя «напряжение-ток» по схеме фиг.3.

На фиг.6 представлена зависимость времени установления выходного импульса напряжения схемы фиг.5 от значения емкости конденсатора 20 С_к=С₂₀ цепи нагрузки 7 фиг.2 при коэффициенте передачи токовых зеркал 9 и 12, равном единице.

На фиг.7 приведена зависимость времени установления выходного импульса напряжения схемы фиг.5 от значения емкости конденсатора 20 С_к=С₂₀ цепи коррекции 7 при коэффициенте усиления токовых зеркал 9 и 12, равном двум единицам.

На фиг.8 представлена схема драйвера фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice.

На фиг.9 показана зависимость времени установления выходных импульсов напряжения драйвера фиг.8 от значения емкости конденсатора С_к=С₂₀ цепи коррекции 7 при коэффициенте усиления токовых зеркал 9 и 12, равном единице.

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки фиг.2 содержит выходной каскад 1, вход которого соединен с источником входного сигнала 2, а выход 3 подключен к конденсатору цепи нагрузки 4. В схему введен преобразователь «напряжение-ток» 5, потенциальный вход которого соединен с выходом 3 выходного каскада 1, потенциальный выход 6 соединен с цепью коррекции 7, первый 8 токовый выход подключен ко входу первого 9 токового зеркала, согласованного с первой 10 шиной источника питания, второй 11 токовый выход подключен ко входу второго 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания, токовые выходы первого 9 и второго 12 токовых зеркал связаны с выходом 3 выходного каскада 1, причем приращение токов первого 8 и второго 11 токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» 5 для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции 7.

Кроме этого в схеме фиг.2 цепь коррекции 7 реализована на основе конденсатора 20. Резистор 21 моделирует эквивалентное сопротивление на выходе 3, которое учитывает входное сопротивление преобразователя 5 и выходные сопротивления токовых зеркал 9, 12. Выходной каскад 1 реализован здесь на основе резисторов 22, 23 и операционного усилителя 24 по традиционной схеме. Резистор 25 моделирует конечное значение выходного сопротивления выходного каскада 1.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, преобразователь «напряжение-ток» 5 содержит первый 14 и второй 15 входные транзисторы разного типа проводимости с объединенными базами, являющимися потенциальным входом преобразователя «напряжение-ток» 5, эмиттеры первого 14 и второго 15 входных транзисторов через соответствующие первый 16 и второй 17 токостабилизирующие двухполюсники связаны с соответствующими первой 10 и второй 13 шинами источника питания, коллектор первого 14 входного транзистора соединен со второй 13 шиной источника питания, коллектор второго 15 входного транзистора соединен с первой 10 шиной источника питания, эмиттер первого 14 входного транзистора соединен с базой первого 18 выходного транзистора, эмиттер которого подключен к потенциальному выходу 6 преобразователя «напряжение-ток» 5, а коллектор соединен с первой 10 шиной источника питания, эмиттер второго 15 входного транзистора соединен с базой второго 19 выходного транзистора, эмиттер которого подключен к потенциальному выходу 6 преобразователя «напряжение-ток» 5, а коллектор соединен со второй 13 шиной источника питания.

Рассмотрим работу известного (фиг.1) и предлагаемого (фиг.2) устройств.

При скачкообразном изменении входного напряжения на входе выходного каскада 1 (фиг.1) начинается достаточно медленный процесс заряда конденсатора цепи нагрузки 4 (С4). Постоянная времени цепи заряда этой емкости определяется выходным сопротивлением R_вых.1≈R₂₅ выходного каскада 1 и емкостью конденсатора 4 (С4) (фиг.2).

В заявляемой схеме фиг.2 напряжение на конденсаторе С4 $$\left({\stackrel{\cdot }{U}}_{вых}\right)$$ передается на выход преобразователя «напряжение-ток» 5, что приводит к увеличению тока через цепь коррекции 7 и, следовательно, выходного тока первого токового выхода 8 $$i=K_{i8}{i}_{ck}\approx i_{ck}$$ , где K_i8≈1 - коэффициент передачи по току преобразователя «напряжение-ток» 5. Как следствие, это приводит к увеличению выходного тока первого 9 токового зеркала i₉=K_i8K_i9i_ck≈i_ck, что ускоряет процесс перезаряда конденсатора цепи нагрузки 4. Таким образом, на выходе токового зеркала 9 формируется импульс тока, способствующий более быстрому заряду конденсатора цепи нагрузки 4 (С4). Об этом свидетельствуют графики фиг.6, когда при емкости конденсатора 20 цепи коррекции 7 C_k≈C₂₀=43 пф время установления переходного процесса уменьшается с 48 нс до 5 нс, т.е. в 9 раз.

При коэффициенте передачи токового зеркала 9 K_i9=-2 и нерациональном выборе C_k=C₂₀ в схеме фиг.5 возможно существенное перерегулирование выходного напряжения, что необходимо учитывать при создании практических устройств.

Таким образом, заявляемый драйвер обеспечивает при емкостной нагрузке более высокое быстродействие.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4.691.174, fig. 1, fig. 5.

2. Патент США №4.667.146 fig. 1.

3. Патент США №4.528.515 fig. 2.

4. Патент США №4.475.087 fig. 10.

5. Патент США №4.536.717 fig. 1.

6. Патент США №4.714.896 fig. 1.

7. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2007. - С.34, рис.1.22.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов в устройствах различного функционального назначения, работающих на емкостную нагрузку. Достигаемый технический результат - повышение быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширение диапазона его рабочих частот. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки содержит выходной каскад, вход которого соединен с источником входного сигнала, а выход подключен к конденсатору цепи нагрузки, преобразователь «напряжение-ток», потенциальный вход которого соединен с выходом выходного каскада, потенциальный выход соединен с цепью коррекции, первый токовый выход подключен ко входу первого токового зеркала, согласованного с первой шиной источника питания, второй токовый выход подключен ко входу второго токового зеркала, согласованного со второй шиной источника питания, токовые выходы первого и второго токовых зеркал связаны с выходом выходного каскада, причем приращение токов первого и второго токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции. 1 н. и 1 з.п. ф-лы.,9 ил.

1. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки, содержащий выходной каскад (1), вход которого соединен с источником входного сигнала (2), а выход (3) подключен к конденсатору цепи нагрузки (4), отличающийся тем, что в схему введен преобразователь «напряжение-ток» (5), потенциальный вход которого соединен с выходом (3) выходного каскада (1), потенциальный выход (6) соединен с цепью коррекции (7), первый (8) токовый выход подключен ко входу первого (9) токового зеркала, согласованного с первой (10) шиной источника питания, второй (11) токовый выход подключен ко входу второго (12) токового зеркала, согласованного со второй (13) шиной источника питания, токовые выходы первого (9) и второго (12) токовых зеркал связаны с выходом (3) выходного каскада (1), причем приращение токов первого (8) и второго (11) токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» (5) для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции (7).

2. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки по п.1, отличающийся тем, что преобразователь «напряжение-ток» (5) содержит первый (14) и второй (15) входные транзисторы разного типа проводимости с объединенными базами, являющимися потенциальным входом преобразователя «напряжение-ток» (5), эмиттеры первого (14) и второго (15) входных транзисторов через соответствующие первый (16) и второй (17) токостабилизирующие двухполюсники связаны с соответствующими первой (10) и второй (13) шинами источника питания, коллектор первого (14) входного транзистора соединен со второй (13) шиной источника питания, коллектор второго (15) входного транзистора соединен с первой (10) шиной источника питания, эмиттер первого (14) входного транзистора соединен с базой первого (18) выходного транзистора, эмиттер которого подключен к потенциальному выходу (6) преобразователя «напряжение-ток» (5), а коллектор соединен с первой (10) шиной источника питания, эмиттер второго (15) входного транзистора соединен с базой второго (19) выходного транзистора, эмиттер которого подключен к потенциальному выходу (6) преобразователя «напряжение-ток» (5), а коллектор соединен со второй (13) шиной источника питания.