Усилитель-ограничитель тока Советский патент 1992 года по МПК H03K5/08 H03G11/00 

Вход1J,Ч I

irtbKzH

I

//

N ел

00

00

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в интегральных аналоговых устройствах, Цель - изменение крутизны передаточной характеристики при одновременном снижении входного сопротивления. Задавая то или иное отношение площадей объединенных эмиттеров транзисторов 7 и 8, можно устанавливать требуемый вид нелинейности передаточной характеристики усилителя-ограничителя тока, 3 ил.

Фиг.}

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в интегральных аналоговых устройствах

Известен ограничитель тока, содержащий выходной транзистор выполненный по схеме с общей базой, к эмиттеру которого подключена переключательная диодная матрица, имеющая входы для приема опорных токов и входного тока.

Этот ограничитель тока имеет следую- щие недостатки. Крутизна и характер нели- нейности малосигнального участка передаточной характеристики данного ограничителя фиксированы и не могут быть изменены путем перестройки опорных то- ков или при изменении параметров элементов схемы, что сужает функциональные возможности ограничителя. Входное сопротивление ограничителя не остается малым во всем диапазоне изменения входного то- ка. В области порогов ограничения оно резко возрастает вследствие работы диодов переключательной диодной матрицы в режиме отпирания-запирания.

Также известен ограничитель выходно- го тока, содержащий токовое зеркало, напряжением питания которого служит входное напряжение, выход которого является выходом ограничителя, а вход соединен через импедансный двухполюсник с коллектором первого,транзистора, базовый ток которого задается источником постоянного тока, а эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого заземлен, а база подключена к источнику опорного напряжения.

Недостатками данного ограничителя являются невозможность электронного управления крутизной передаточной характеристики, а также высокое значение и непостоянство входного сопротивления, которое в области ограничения близко к сопротивлению запертого эмиттерного перехода второго транзистора, а в линейной области приблизительно равно сопротивле- нию импедансного двухполюсника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является усилитель-ограничитель токй содержащий первый транзистор, база которого является первым входом усилителя-ограничителя тока, эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора и через первый генератор тока соединен с общей шиной, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом база третьего транзистора соединена с базой четвертого и базой и коллектором пятого транзисторов и через второй генератор тока соединена с соответствующей шиной питания

Недостатком данного усилителя-ограничителя тока является невозможность изменения крутизны передаточной характеристики: электронного управления крутизной малосигнального участка характеристики и задания требуемого вида ее не- линейности. Кроме этого, входное сопротивление усилителя-ограничителя тока не остается малым во всем диапазоне изменения входного тока, резко возрастая при достижении последним порогов ограничения.

Цель изобретения - изменение крутизны передаточной характеристики при одновременном снижении входного сопротивления.

Поставленная цель достигается тем, что в усилитель-ограничитель тока, содержащий первый транзистор, база которого является первым входом усилителя-ограничителя тока, эмиттер - соединен с эмиттером второго транзистора и через первый генератор тока соединен с общей шиной, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом база третьего транзистора соединена с базой четвертого и базой и коллектором пятого транзисторов, и через второй генератор тока соединена с соответствующей шиной питания, дополнительно введены седьмой, восьмой транзисторы и третий генератор тока, а первый и второй транзисторы выполнены двухэмит- терными, при этом второй эмиттер первого транзистора через третий генератор тока соединен с общей шиной и непосредственно - со вторым эмиттером второго транзистора, база которого соединена с эмиттером третьего и с коллектором и базой восьмого транзисторов и является вторым входом усилителя-ограничителя тока, а коллекторы первого и второго двухэмиттерных транзисторов являются первым и вторым выходами усилителя-ограничителя тока, эмиттер четвертого транзистора соединен с коллектором и базой седьмого транзистора и с базой первого двухэмиттерного транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с коллектором и базой шестого транзистора, причем коллекторы третьего и четвертого транзисторов, эмиттеры шестою, седьмого и восьмого транзисторов соединены с шинами питания, соответственно.

По отношению к прототипу заявляемое устройство имеет следующие новые существенные признаки: каждый из входов усилителя-ограничителя подключен к базе и коллектору одного транзистора в диодном включении и к эмиттеру второго транзистора, включенного по схеме с общей базой, база которого подключена к выходу источника напряжения смещения, образованного друмя последовательно соединенными транзисторами в диодном включении и генератором постоянного тока, при этом выходная цепь ограничителя образована дифференциальным каскадом, выполненным на паре двухэмиттерных транзисторов.

Достижение положительного эффекта обеспечивается следующим образом. Так как эмиттерные переходы транзисторов в диодном включении и транзисторов, включенных по схеме с общей базой, образующих входные цепи усилителя-ограничителя тока, открыты и включены встречно-параллельно по отношению к входному сигналу, исключается переход данных входных транзисторов в режим отсечки даже при существенном превышении входным током их токов смещения. Благодаря этому входное сопротивление усилителя-ограничителя ос- тается низким во всем диапазоне изменения входного тока. Применение двухэмиттерных транзисторов в выходном дифференциальном каскаде позволяет задавать требуемый вид нелинейности пере- даточной характеристики, т.е. получать необходимую зависимость крутизны передаточной характеристики от уровня входного тока. Возможность изменения малосигнального значения крутизны пере- даточной характеристики обусловлена её пропорциональностью отношению эмит- терных токов входных транзисторов и транзисторов выходного дифференциального каскада.

На фиг. 1 приведена электрическая схема устройства, на фиг. 2 показано распределение токов в схеме усилителя-ограничителя тока при его работе; на фиг. 3 представлена передаточная характеристи- ка ограничителя при трех различных соотношениях площадей эмиттеров двухэмиттерных транзисторов.

Усилитель-ограничитель тока содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6. седьмой 7 и восьмой 8 транзисторы, первый 9. второй 10 и третий 11 генераторы тока.

Работу предложенного усилителя-огра- ничителя тока будем рассматривать при следующих допущениях: транзисторы 3-8 идентичны, транзисторы 1 и 2 отличаются только площадями эмиттеров, токи базы всех транзисторов пренебрежимо малы по сравнению с их токами коллектора, транзисторы работают на частотах,много меньших f - граничной частоты коэффициента передачи транзисторов по току в схеме с общей базой а.

Первоначально подаются напрчженич на шины питания и токи генераторов токл такой величины, чтобы вывести все транзисторы в активный режим. При этом транзисторы 3-8 имеют одинаковые токи эмиттера, рапные току loi генератора тока 10, а токи эмиттеров транзисторов 1 и 2 определяются следующими выражениями: Sn

lii

112

l2T

22

Sn +821

512 Sl2 + S22

§21

S11 +S21

S22

- 102:

1оз:

ICG:

103,

(1)

Sl2 +S22

где Iц, 112 - токи первого и второго эмиттеров транзистора 1 соответственно;

Sn, 812 - площади первого и второго эмиттеров транзистора 1 соответственно;

S21, S22 - площади первого и второго эмиттеров транзистора 2;

Io2, оз - токи генераторов тока 9 и 11 соответственно,

Входной сигнальный ток 1Вх, подаваемый на вход усилителя-ограничителя тока, равен (см. фиг. 2) сумме токов U и I, протекающих через транзисторы 4 и 7 соответст- венно, а также сумме токов 1з и Is, протекающих через транзисторы 3 и 8.

IRX i4 + i 1з + IB(2)

Связь между этими токами найдем из соотношения базо-эмиттерных напряжений транзисторов по замкнутым контурам, в соответствии со вторым законом Кирхгофа. Сумма базо-эмиттерных напряжений Убэб и Убзб транзисторов 5 и 6 равна сумме базо- эмиттерных напряжений Убэ4 и Убэ7 транзисторов 4 и 7, а также сумме бззо-эмиттерных напряжений КбэЗ и Убэв транзисторов 3 и 8:

УбэЗ + Убэб U6H + ивэ УбэЗ + УбэЗ (3)

Разность базо-эмиттерных напряжений 11бэ11 и 11бэ21 в цепи первых эмиттеров транзисторов 1 и 2 равна разности базо-эмиттерных напряжений Кбэ12 и Убэ22 по вторым эмиттерам этих транзисторов, а также разности база-эмиттерных напряжений транзисторов 3 и 4 и транзисторов 7 и 8:

УбэП 11бэ21 11бэ12 Обэ22

U633 11бэ4 Кбэ7 - ибэ8(4)

Представим базо-эмиттерные напряжения транзисторов с помощью уравнения Эберса-Молла с точностью до величины обратного тока эмиттерного перехода с. При этом уравнение (3) примет следующий вид;

,,„ +

i loi + . loi + b ,

+ pr InГ fH In -7-f

IslU1(5)

, . 101 - 18 + fi Г jt

е (fh - температурный потенциал,

Isi - обратный ток эмиттерных перехоов транзисторов 3-8.

Преобразовав (5) получим:

-р-1Ј)Р+Б-)о+Ј)0-Ј)(«

Уравнение (4) будет выглядеть так: ,nJii± l-,1inJ iLllL

V IS11 Г IS21

lnJ4± L-,nJ2|LlA IS12 S22

. I01 + 13 „ . loi M

ln-ИГ

(7)

Isi

IS1

где И - переменный ток,протекающий в цепи первых эмиттеров транзисторов 1 и 2, 12 - переменный ток,протекающий в цепи вторых эмиттеров транзисторов 1 и 2;

Isn. Isi2 - обратные токи эмиттерных p-n-переходов первого и второго эмиттеров транзистора 1; Is2i, Is22 - обратные токи эмиттерных p-n-переходов первого и второго эмиттеров транзистора 2.

Преобразуя выражение (7), с учетом того, что отношение обратных токов базо- эмиттерных p-n-переходов равно отношению площадей их эмиттеров, а значит, отношению постоянных составляющих их эмиттерных токов, получим:

И1 4- 2

It Й2

1 +

1

(8)

Совместное решение уравнений (2) и (6) озволяет выразить 1з. М. i и is через Вх:

вх

(4 18 loi

.1Л f

(т

loi

+ 1

1

2 loi

)

)

1з

( + - 1вх 2

1 -4- ( вх

1 + (ТТо Г )

Сравнивая выражения (6). (8) и (9), получим:

+ г112

1 -- - I22

/ Л

1+(ТБГ +

1вх

2 loi

4- ( вх 2 + ( 21оГ} (10)

вх

2 loi

Уравнение (10) позволяет найти зависимость И и la от lux и, таким образом, величину выходного сигнального тока 8ых, который равен их сумме.

0 В симметричном варианте схемы предлагаемого усилителя-ограничителя тока, т.е. при выполнении условий:

(Sn 822; 812-821:(11)

I02 103,

выходной ток равен:

log.

)

С

0

5

ьых

ЩГ

V 812 Sn /

Ш

где k

812

Определим входное сопротивление предлагаемого усилителя-ограничителя тока. Переменное напряжение на его входе равно разности базо-эмиттерных напряжений транзисторов 3 и 4, а также 7 и 8:

5

0

ное ля:

(13)

М v 2 loi 2 1оГ Дифференцируя UBx по Вх найдем вход- сопротивление усилителя-ограничитеd UBX (pr1

ZBX

diex

$L loi

/

(14)

1+(.

IBX 2 loi

)

45Из выражения (14) видно, что входное

сопротивление имеет максимальное значение при iex 0 и уменьшается с ростом iBx. Анализ зависимости (12) показывает, что при k 1 участок передаточной характе50 ристики усилителя-ограничителя тока, соответствующий значениям входного тока, не превышающим по модулю 2 loi, близок к линейному, при k 1 этот участок имеет выпуклый Характер, а при k 1 - вогну55 тый (см, фиг. 3).

8 уравнение (12) входит коэффициент, равный отношению токов генераторов тока 10 и 9, 11: Io2/loi. Это позволяет изменять крутизну передаточной характеристики, изменяя соотношение указанных токов. При

этом изменению тока loi генератора тока 10 при фиксированном токе loa генераторов тока 9 и 11 соответствует изменение только крутизны малосигнального участка передаточной характеристики, без изменения по- рогов ограничения, равных ± Io2. При фиксированном токе loi и изменении тока 1о2 изменяются и пороги ограничения, которые увеличиваются вместе с увеличением крутизны, При одновременном изменении токов loi и Io2 (так, чтобы отношение Io2/loi оставалось постойным) крутизна остается неизменной, изменяются только пороги ограничения выходного тока.

Такик; образом, п реимуществом заявля- емого ограничителя тока по отношению к прототипу и аналогам является пониженное значение входного сопротивления, которое не претерпевает резких скачков в диапазоне изменения входного тока, а плавно уменьшается с его увеличением, а также возможность изменения крутизны передаточной характеристики путем выбора требуемого вида нелинейности малосигнального участка передаточной характеристики и электронного управления его крутизной.

Формула изобретения Усилитель-ограничитель тока, содержащий первый транзистор, база которого яв- ляетсяпервымвходом

усилителя-ограничителя тока, эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора и

через первый генератор тока соединен с общей шиной, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом база третьего транзистора соединена с базой четвертого и базой и коллектором пятого транзисторов, и через второй генератор тока соединена с соответствующей шиной питания, отличающийся тем, что. с целью изменения крутизны передаточной характеристики при одновременном снижении входного сопротивления, введены седьмой, восьмой транзисторы и третий генератор тока, а первый и второй транзисторы выполнены Двухэмиттерными, при этом второй эмиттер первого транзистора через третий генератор тока соединен с общей шиной и непосредственно - с вторым эмиттером второго транзистора, база которого соединена с эмиттером третьего и с коллектором и базой восьмого транзисторов и является вторым входом усилителя-ограничителя тока, а коллекторы первого и второго двухэмиттер- ных транзисторов являются первыми и вторыми выходами усилителя-ограничителя тока, эмиттер четвертого транзистора соединен с коллектором и базой седьмого транзистора и с базой первого двухэмиттерного транзистора, эмиттер пятого транзистора соединен с коллектором и базой шестого транзистора, причем коллекторы третьего и четвертого транзисторов, эмиттеры шестого, седьмого и восьмого транзисторов соединены с шинами питания соответственно.

Фил.З