Эмиттерный повторитель Советский патент 1984 года по МПК H03F3/50 H03F17/00 

00

4

со

о: Изобретение относится к усилител ной технике и может быть использовано в качестве согласующего или ра делительного каскада с повышенным входным сопротивлением в электронных устройствах, работающих в широком диапазоне частот или в устройст вах постоянного тока. Известны эмиттерные повторители, содержащие биполярные транзисторы, с нагрузками в эмиттерных цепях Cl3 Наиболее близким к изобретению является эмиттерный повторитель, содержащий основной транзистор, вкл ченный по схеме с общим коллектором одной структуры, дополнительный транзистор, включенный по схеме с о щим эмиттером, другой структуры, коллектор которого соединен с одним выводом первого резистора, причем одно плечо его цепи базового смещения выполнено на втором резисторе, один вывод которого соединен с обще шиной . Недостатком известных эмиттерных повторителей является недостаточно высокая надежность. Цель изобретения - повы1иение надежности устройства путем уменьшени мощности рассеивания. Поставленная цель достигается тем, что в эмиттерный повторитель, содержащий основной транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, одной структуры, дополнительный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, другой структуры коллектор которого соединен с одним выводом первого резистора, причем одно плечо его цепи базового смещения выполнено на втором резисторе, один вывод которого соединен с общей шиной, введен дифференциальный оптрон, светодиод .которого включен в прямом направлении между другим выводом первого резистора и общей шиной, первый фотодиод, включенный в обратном направлении в цепь базы основного транзистора, а второй фото диод, включенный в обратном направлении, между эмиттером основного транзистора и общей шиной, причем между базой дополнительного транзистора и другим выводом второго резистора введен стабилитрон, На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагае мого э:миттерного пов-торителя. Эмиттерный повторитель содержит основной транзистор 1,включенный по скеме с общим коллекторЪм, одной структуры, дополнительный транзистор 2, включенный по схеме с общим эмиттером, другой структуры, первый резистор 3, цепь 4 базового смещения, второй резистор 5 цепи базового смещения дифференцигшьный оптрон б, -светодиод 7 дифференциального оптрона, первый фотодиод 8, включенный в обратном направлении, второй фотодиод 9 , включенный в обратном направлении дифференциального оптрона, стабилитрон 10, третий резистор 11 нагрузки о Эмиттерный повторитель работает следующим образом. При включении питающего напряжения змиттерного повторителя в цепи светодиода 7 появляется ток в момент времени, когда нарастающее напряжение на шине питания превысит уровень переключения дополнительного транзистора 2, определяемого напряжением стабилизации стабилитрона 10. IOK, протекающий через светодиод 7, обеспечивает работу первого и второго фотодиодов 8 и 9, оптически подключенных к светодиоду 7, в вентильном режиме (в режиме генерации фото-ЭДС). При отсутствии входного сигнала ток в базовой цепи основного транзистора 1 не протекает, в результате чего на третьем резисторе 11 нагрузки, а соответственно, и выходе сигнал также отсутствует. Протекающий в эмиттерной цепи основного транзистора 1 неуправляемый ток, величина которого для кремниевых транзисторов не превышает нескольких десятков микроампер во всем температурном диапазоне работы, не вызывает появления на третьем резисторе 11 нагрузки паразитного положительного потенциала, т.е неуправляемый ток полностью шунтируется вторыт- фотодиодом 9, работающим в вентильном режиме;. При этом на третьем резис-, торе 11 нагрузки присутствует незначительный отрицательный потенциал, обусловленный наличием фото-ЭДС второго фотодиода 9,- что обеспечивает высокую помехоустойчивость каскадов, подключенных к выходу эмиттерного повторителя в широком температурном дипазоне, когда тепловые токи основного транзистора 1 возрастают. При поступлении на вход входного сигнала в базовой цепи основного транзистора 1 появляется ток, величина в:оторого определяется входным сопротивлением эмиттерного повторителя, а на третьем резисторе 11 нагрузки появляется выходной сигнал, амплитуда которого практически не отличается от амплитуды входного сигнала, так как падение напряжения на переходе база-эмиттер основного транзистора 1(9,5 В) практически полностью компенсируется напряжением фото-ЭДС первого фотодиода 8 (у,0,,5 В); работающего в вентильном режиме. Это позволяет обеспечить коэффициент передачи по напряжению эмитте:рного повторителя практически равным единице и линейным (н даже в области малых входных напряжений) При этом второй фотодиод 9 не оказывает никакого влияния на величину напряжения на третьем резисторе 11, так как второй фотодиод 9 в этом случае работает в фотодиодном режиме и через него протекает незначительный ток от шины питания через открытый основной транзистор 1, Коэффициент усиления основного транзистора 1 должен выбираться таким, что входной ток эмиттерного повторителя во всем рабочем диапазоне входных напряжений обеспечивает работу первого фотодиода 8 в вентиль ном режиме, т.е. входной ток эмиттер ного повторителя определяется его входным сопротивлением и не ограничивается светодиодом 7 во всем рабо чем диапазоне изменения входного напряжения. В случае, если амплитуда входного сигнала выходит за пределы . рабочего диапазона и превышает напряжение на шине питания, в.ходное сопротивление эмиттерного повторител снижается, так как входное напряжение превышает то напряжение, которо может развиться на третьем резистор 11 нагрузки. Однако входной ток эмиттерного повторителя существенно не изменится, так как первый фотоди од 8 перейдет из вентильного режима работы в фотодиодный режим , и входной ток эмиттерного повторителя в этом случае ограничивается током первого фотодиода 8, который в свою очередь определяется током через светодиод 7 и задается с- помощью первого резистора 3 и коэффициентом передачи оптоэлектронной пары свето диод 7 - первый фотодиод 8. Ограничение входного тока эмиттерного повторителя с помощью первого фотодио да 8 исключает возникновение аварийной ситуации при попадании на вход эмиттерного повторителя значительных по величине напряжений . При слу.найном или преднамеренном снятии нап1эяжения питания с шины питания (или уменьшении этого напряжения) через светодиод 7 прекращается ток в момент дости жения напряжением на шине питания значения, соответствующего порогу выключения дополнительного транзисто ра 2. Прекращение тока через светодиод 7 приводит к прекращению тока и через первый фотодиод 8, в результате чего входной ток эмиттерного повт рителя уменьшается практически до нуля, несмотря на то, что на входе в это время может присутствовать значительное напряжение. Это позволя ет исключить возможность вывода из строя элементов эмиттерного повторителя и элементов электронных каскадов, согласуемых с помощью эмиттерно го повторителя. При случайном коротком замыкании третьего резистора 11 нагрузки в предлагаемом эмиттерном повторителе автоматически ограничивается мощность рассеиваемая на основном транзисторе 1, так как в этом случае с помощью первого фотодиода 8 ограничивается рост базового тока основного транзистора 1, а при этом соответственно ограничивается и ток через коллекторный и эмиттерный переходы основного транзистора 1 (в этом случае мощность, рассеиваемая на основном транзисторе 1, определяется током первого фотодиода 8 и коэффициентом усиления основного транзистора 1). При этом, благодаря ограничению входного тока эмиттерного повторителя с помощью первого фотодиода 8, исключаются перегрузка и выход из строя источника сигналов (объекта контроля), выход которого подключается к входу. В ряде случаев, при использовании эмиттерных повторителей в качестве буферного каскада с высоким входным сопротивлением в приборах диагностики и контроля состояний логических микросхем, когда вход эмиттерного повторителя подключается к слаботочным элементам объекта контроля, недопустимым является даже небольшое и кратковременное уменьшение входного сопротивления буферного каскада при включениях и выключениях напряжений питания приборов диагностики и контроля. В этом случае даже небольшое уменьшение входного coпpoтивJfeния буферного каскада при коммутации напряжения питания может нарушить логику работы объекта контроля(например, триггерных схем в объекте контроля), что является недопустимым, так как при этом может нарушиться выполняемая объектом контроля функция,Для исключения такого в предлагаемом эмиттерном повторителе необходимо чтобы между входным сигнгхлом и порогом переключения дополнительного транзистора 2 выдерживалось соотношение/Uexo.ax . где - максимальная величина рабовх max чего напряжения входного сигнала; 2 порог срабатывания дополнительного транзистора 2. При соблюдении этого неравенства, в процессе уменьшения напряжения питания эмиттерного повторителя (при выключении питания), ток через светодиод 7, а соответственно, и через первый фотодиод 8 прекращается раньше, чем поступает равенство напряжений на шине питания и входе эмиттерного повторителя. При нарастании напряжения П1 тания эмиттерного повторителя (при включеНИИ питания) светодиод 7, а соответственно , и первый фотодиод 8 включаются после того, когда напряжение питания на шине превысит напряжение на входе эмиттерного повторителя.

При уменьшении амплитуды сигнала на входе до нуля {фронт спада входного сигнала), на выходе эмиттерного повторителя сигнал также спадает до нуля, а второй фотодиод 9 переходит из фотодиодного режима опять в вентильный режим работы. При этом переход второго фотодиода 9 в вентильный режим ускоряет разряд паразитных емкостей, подключенных к выходу эмиттерного повторителя (например, входных емкостей последующего каскада) , в результате чего на третьем резисторе 11 формируется более крутой задний фронт и, как следствие, повышается быстродействие повторител при выключении.

В процессе работы эмиттерного повторителя первый фотодиод 8 постоянно облучается фотонами, излучаемы;иш светодиодом 7, в результате чего Чсютотные свойства эмиттерного повторителя не ограничиваются частотными свойствами первого фотодиода 8, поэтому предельная частота работы эмиттерного повторителя может на несколько порядков превосходить предельную частоту работы оятоэлектронной пары светодиод 7 - первый фотодиод 8.

Таким образом, в предлагаемом эмиттерном повторителе, благодаря введению светодиода оптически и дифференциально подключенного к двум фотодиодам, достигаются более низкая величина входного (порогового) напряжения за счет компенсирующего действия фото-ЭДС первого фотодиода и более высокий и линейный коэффициент передачи по напряжению защита входной цепи от перегрузок по напряжению, как во включенном,

. так и выключенном состоянии эмиттерного повторителя; высокое входное сопротизление при выключенном источнике питания эмиттерного повторителя о Кроме того, исключается импульсная подгрузка источника сигнала при включениях и выключениях источника питания эмиттерного повторителя за счет выбора соответствующего порога переключения дополнительного транзистора 2,ограничивается рассеиваемая мощность эмиттерног повторителя и защищается источник сигнала от перегрузок по току при коротком замыкании эмиттерной нагруки (без снижения коэффициента передачи по напряжению), повышается помехоустойчивость при отсутствии входного сигнала, так как благодаря второму фотодиоду 9 исключается влияние неуправляемых токов основного транзистора 1 на последующие каскады, при этом также повышается и быстродействие эмиттерного повторителя при выключении. Благодаря диффренциальному оптическому подключению фотодиодов к светодиоду обеспечивается высокая временная и температурная стабильность параметров эмиттерного повторителя, так как под действием дестабилизирующих факторов проводящие свойства фотодиодов изменяются в одинаковой степени .

Пре;т(лагаемый эмиттерный повторитель может найти широкое применение во входных устройствах сигнатурных и логических анализаторов, в приборах для измерения параметров логических микросхем, а также в датчиках текущего контроля слаботочных объектов.

Практическая реализация схемы эмиттерного повторителя может быть выполнена с применением кремниевых транзисторов типа КТ 316 Д и дифференциального оптрона типа КОД 302 В При этом расчетный частотный диапазон работы эмиттерного повторителя составляет: от постоянного тока до 50 МГц.

Структура электрической схемы эмиттерного повторителя позволяет выполнить его в виде гибридной интегральной схемы.

ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ, содержащий основной транзистор, включенный по схеме с общим коллектором, одной структуры, дополнительный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, другой структуры, коллектор которого соединение одним выво« -- П --:;., г,:.;,:; « l-;j Jiiv-i.c;.,, I дом первого резистора, причем одно плечо его цепи базового смещения выполнено на втором резисторе, один вывод которого соединен с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения наде 8зости путем уменьшения мощности рассеивания, в него введен дифференциальный оптрон, светодиод которого включен впрямом направлении между другим выводом первого резистора и общей шиной, первый фотодиод, включенный в обратном направлении в цепь базы основного транзистора, а второй фотодиод,включенный в обратном направлении - между эмиттером основного транзистора и общей шиной, при- Щ чем между базой дополнительного тран(Л зистора и другим выводом второго резистора введен стабилитрон. с: