Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения Советский патент 1982 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в качестве вторичного источника питания узлов электроизмерительной, вычислительной и рентгеновской аппаратуры.

Известны схемы компенсационных стабилизаторов напряжения с однокаскадным дифференциальным усилителем обратной связи, в которых для увеличения коэффициента стабилизации и уменьшение выходного сопротивления используется активная или динамическая нагрузка. Например компенсационные стабилизаторы напряжения в интегральном использовании К142ЕЯ1, К142Ш2 содержат транзисторный регулирующий элемент, источник опорного напряжения, делитель выходного напряжения и однокаскадный усилитель обратной связи с активной нагрузкой в-виде полевого транзистора, включенного по схеме генератора тока Д .

Известен также компенсационный стабилизатор напряжения, содержащий регулирующий элемент, источник опорного напряжения и делитель выходного напряжения, , усилитель обратной связи в котором выполнен с динамической нагрузкой на биполярных транзистоЕЗах 121 .

Недостатками данных стабилизаторов являются низкий коэффициент стабилизации и высокое выходное сопротивлес ние в широком диапазоне регулирования выходного напряжения, обусловленные малым выходным сопротивлени ём активной нагрузки и шунтиррваниегд ее невысоким входным сопротивление, ре1Q гулирующего элемента.

Указанн|ле недостатки, а также низкое быстродействие значительно сужают функциональные возможности и, следовательно, область применения 15 данных стабилизаторов напряжения. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является компенсационный стабилизатор постоянного напряжения в интегральном исполнении, содержащий регулирующий элемент с п-канальным полевым транзистором на входе, источник опорноVO напряжения, делитель выходного напряжения и однокаскадный диф25 фёренциальный усилитель обратной связи с динамической нагрузкой, содержащий биполярный транзистор и элемент односторонней проводимости. Один вход усилителя соединен с источником

30 опорного напряжения, а другой - с выходом делителя выходного напряжения 3 . Наличие в регулирующем элементе согласующего полевого транзистора, обладающего высоким входным сопротивлением, позволяет снизить шунтирующее действие регулирующего транзистора, что приводит к увеличению коэффициента усиления усилителя и, Следовательно, к повышению коэффициента стабилизации стабилизатора, а также к снижению выходного сопротивления. Однако улучшение указанных - параметров незначительно, что не дает возможности использовать подобные стабилизаторы напряжения в прецизионных устройствах и приборах для научных исследований. Цель изобретения - расширение фун кциональных возможностей стабилизато ра путем повышения коэффициента стабилизации, уменьшения выходного сопротивления и увеличения быстродействия в широком диапазоне регулирования выходного напряжения. Поставленная цель достигается тем чтЪ компенсационный стабилизатор нап ряжения, содержащий регулирующий эле мент с полевым транзистором на входе, источник опорного напряжения, подключенный к выходным выводам стабилизатора, дифференциальный усилитель обратной связи с включенными по схеме с общим эмиттером входными транзисторами, одним входом соединен вый с выходом источника опорного нап ряжения, а другим - с выходом делите ля выходного напряжения, причем динамическая нагрузка дифференциального усилителя обратной связи включает в себя биполярный транзистор и диод, снабжен парой усилительных транзисто ров, эмиттерами соединенных с коллекторами транзисторов дифференциального усилителя обратной связи, полевым транзистором динамической нагрузки, исток которого через введенный дополнительный резистор подключен к базе биполярного транзистора и аноду диода динамической нагруз ки, сток - к коллектору одного из усилительных транзисторов и через введенный проходной диод - к управ-. ляющему входу регулирующего элемента, затвор - к коллектору другого усилительного транзистора и коллектору биполярного транзистора динамической нагрузки, причем общая точка баз усилительных транзисторов соединена с выходом введенной резистивнодиодной цепочки, включенной между входным силовым выводом регулирующего элемента и эмиттером введенного вспомогательного транзистора, база которого подключена к эмиттерам вход ных транзисторов усилителя обратной связи, а коллектор - к общей шине стабилизатора. На чертеже изображена схема предлагаемого компенсационного стабилизатора постоянного напряжения. Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения содержит регулирующий элемент 1 с полевым, например п-канальным, транзистором 2 на входе, источник 3 опорного напряжения, делитель 4 выходного напряжения. Однокаскадный дифференциальный усилитель 5 обратной связи выполнен со сложной динамической нагрузкой 6. Входные (Транзисторы 7 и 8, например п-р-п типа, усилителя 5 включейы по схеме с общим эмиттером (ОЭ), усилительные транзисторы 9 и 10 усилителя 5 - по схеме с общей базой (ОБ). База транзистора 7 соединена с источником 3 опорного напряжения, а база транзисто ра 8 - с выходом 11 делителя 4 выходного напряжения. Коллектор усилительного транзистора 10 соединен со стоком нагрузочного полевого транзистора 12, в данном случае р-канального, и через проходной диод 13 - с управляющим входом регулирующего элемента 1, т.е. затвором полевого транзистора 2. Исток транзистора 13 через резистор 14 и опорный диод 15 соединен с эмиттером нагрузочного транзистора 16 с типом проводимости, обратной транзисторам 7-10 дифференциального усилителя 5 (в данном случае р-п-р типа). База транзистора 16 соединена с катодом опорного диода 15, а коллектор - с затвором полевого транзистора 13 и коллектором усилительного транзистора 9. Базы транЗИСТОРО.В 9 и 10 соединены с выходом 17 резистивно-диодной цепочки 18, которая включена в эмиттерную цепь дополнительного транзистора 19 также обратного типа проводимости. Его коллектор соединен с общей отрицательной шиной стабилизатора, а база с эмиттерами входных транзисторов 7 и 8 усилителя 5. Стабилизатор работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе регулирующего элемента 1 и стабилизатора в целом имеется номинальное или установленное выходное напряжение, величина которого определяется значениями опорного напряжения источника 3 и коэффициентом деления делителя 4. При этом напряжения на базах входных транзисторов 7 и 8, например типа, усилителя 5, включены по схеме с ОЭ, равны опорному напряжению. Напряжение на базах усилительных транзисторов 9 и 10, также р-п-р типа, включенных по схеме с ОБ, практически зафиксированы относительно потенциала эмиттеров транзисторов 7 и 8 на уровне, определяемом суммой падений напряжения на двух диодах резистивно-диодной цепочки 18 и эмиттер-базовом переходе дополнительного транзистора 19 обратного типа проводимости. Выходное напряжение усилителя 5, снимаемое с коллектора усилительного тран зистора 10 (или со стока нагрузочного полевого транзисто)а 12), подается через проходной диод 13 на управляющий вход регулирующего элемента 1 (затвор полевого транзистора 2), обеспечивая необходимое выходное напряжение стабилизатора. Рассмотрим работу стабилизатора |при воздействии дестабилизирующих фа торов: изменений входного напряжения и тока нагрузки. При изменении входного напряжения на выходе стабилизатора также начинает появляться синфазное изменение напряжения. Часть этого изменения, например положитель ного приращения, снимается с выхода 11 делителя 4 и поступает на базу выходного транзистора 8. Вследствие этого происходит увеличение тока базы и токов эмиттера и коллектора тра зистора 8, напряжение на базе транзистора 7, связанной с источником 3 опорного напряжения, остается постоянным. Поэтому по принципу действия дифференциального каскада усиления происходит противофазное изменение . тока базы к токов эмиттера и коллектора транзистора 7. Указанные изменения коллекторных токов транзисторов 7 и 8 приводят к соответствующим изменениям токов эмиттеров транзисторов 9 и 10, включенных по схеме с ОБ. Увеличение тока эмиттера транзистора 10 приводит к увеличению кол лекторного тока этого транзистора и тока .стока нагрузочного полевого транзистора 12, что приводит к воз-, растанию напряжения на динамической нагрузке б, и соответственно к умень шению выходного напряжения усилителя 5. Поскольку выходное напряжение усилителя 5 становится более отрицательным, то оно через проходной диод 13 вызывает уменьшение напряжения на затворе полевого транзистора 2 и, следовательно, на выходе регулирующего элемента 1 и стабилизатора в целом. Оставшаяся нескомпенсированной некоторая.часть изменения выходного напряжения стабилизатора имеет незначительную величину благодаря высокому коэффициенту усиления усили теля 5 и представляет собой ошибку стабилизации, т.е. нестабильность вы ходного напряжения. Следовательно,ко эффициент стабилизации имеет большую величину. Эффект действия динамической нагрузки усилителя 5, т.е. получение большого выходного сопротивлен нагрузки, обусловлен несколькими фак торами. Во-первых, при возрастании тока стока увеличивается напряжение на переходе сток-исток нагрузочного полевого транзистора 12 пропорционально его внутреннему сопротивлению, которое дополнительно увеличивается благодаря наличию в цепи истока резистора 14 и диода 15. Во-вторых, выходное сопротивление динамической нагрузки 6 усилителя 5 возрастает в нексолько раз (в 4-5 раз) за счет уменьшения напряжения на затворе нагрузочного полевого транзистора 12, обусловленного уменьшением напряжения на переходе коллектор-база нагрузочного биполярного транзистора 16 вследствие отмеченного уменьшения коллекторного тока этого транзистора. Аналогично работает стабилизатор и при воздействии другого дестабилизирующего фактора - изменения тока нагрузки. Уменьшение тока нагрузки вызывает увеличение выходного напряжения стабилизатора, что приводит к увеличению потенциала базы выходного транзистора 8 усилителя 5 обратной связи, а следовательно, к увеличению тока эмиттера и коллектора транзистора 8, увеличению тока коллектора транзистора 10 и тока стока нагрузочного полевого транзистора 12. Вследствие этого напряжения на динамической нагрузке 6 возрастает, а выходное напряжение усилителя 5 и напряжение на затворе полевого транзистора 2 уменьшаются, что приводит к уменьшению напряжения на выходе регулирующего элемента 1. В результате увеличение выходного напряжения, вызванное изменением тока нагрузки, оказывается скомпенсированным с большой точностью. Следовательно, значительное увеличение коэффициента усиления усилителя 5, обусловленное применением сложной динамической нагрузки 6 с высоким выходным сопротивлением, позволяет существенно уменьшить выходное сопротивление стабилизатора в широком диапазоне регулирования выходного напряжения. Повышение быстродействия предлагаемого стабилизатора напряжения, т.е. более быстрая реакция на изменения выходного напряжения и тока нагрузки, обусловлено следующими особенносятми схемы. Во-первых, напряжение на переходах коллектор-база входных транзисторов 7 и 8 усилителя 5 имеют малую величину и практически не изменяются благодаря связи базы усилительных транзисторов 9 и 10 с выходом 17 резистивно-диодной цепочки 18, включенной в эмиттерной цепи дополнительного транзистора 19. Следовательно, перазитная емкость переходоЕ коллектор-база в кодных транзисторов 7 и 8 имеет малую, величину, и практически не происходит ее перезаряд

при изменениях токов переходов этих транзисторов. Это обстоятельство вместе с тем фактором, что нагрузкой входных транзисторов 7 и 8 являются низкоомные входные сопротивления усилительных транзисторов 9 и 10, обуславливает высокое быстродействие работы входных транзисторов 7 и 8, хотя они и включены по схеме с ОЭ, Во-вторых, включение усилительных транзисторов 9 и 10.по схеме с ОБ позволяет обеспечить высокое быстродействие их работы из-за высокой граничной частоты коэффициента усилв нид по току, малой входной емкости, отсутствия известного эффекта Миллера , а также высокого выходного сопротивления динамической нагрузки б усилителя 5.

Предлагаемая схема компенсационного стабилизатора напряжения позволила .увеличить коэффициент стабилизации в 3-4 раза, снизить выходное сопротивление в 4-5 раз и получить высокое быстродействие {1,5-12 мкс),, которое не достигнуто ни в одном из известных стабилизаторов напряжения. При этом предел регулирования выходного напряжения составляет ЗВ-ЗОВ. .

. Предлагаемый компенсационный стабилизатор напряжения реализуется;в виде интегральной микросхемы, выполненной по гибридно-пленочной технологии. Это позволяет обеспечить хорошую воспроизводимость и стабильность параметров стабилизатора, снизить влияние паразитных емкостей монтажа, что .очень важно для обеспечения высокого быстродействия. В результате значительнорасширяются функциональные возможности стабилизатора напряжения, что позволяет удовлетворить практически все требования, предъявляемые к источникам питания прецизионных устройств аппаратуры для научных исследований.

Формула изобретения

Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения, содержащий регулирующий элемент с полевым транзистором на входе, источник опорного напряжения, подключенный к выходным выводам стабилизатора, дифференциальный усилитель обратной связи с включенными по, схеме с общим эмиттером входными транзисторами, одним входом соединенными с выходом источника опор ного напряжения, а другим - с выходом делителя выходного напряжения, 5 причем динамическая нагрузка дифферен циального усилителя обратной связи включает в себя биполярный транзистор и диод, о т л и ч ада щ и.,и с я тем, что,с целью расширения функциоg нальных возможностей стабилизатора путем повышения его коэффициента стабилизации, уменьшения выходного сопротивления и увеличения быстродействия в широком диапазоне регулирования выходного напряжения, он снабжен парой усилительных транзисторов, эмиттерами соединенных с коллекторами транзисторов дифференциального усилителя обратной связи, полевым транзистором динамической

0 нагрузки, исток которого через введенный дополнительный резистор подключен к базе биполярного транзистора и аноду диода динамической нагрузки, сток - к колектору одного

5 из усилительных транзисторов и через введенный проходной диод - к управляющему входу регулирующего элемен- . та, затвор - к коллектору другого усилительного транзистора и коллекQ .тору биполярного, транзистора дингиии/ческой нагрузки, причем общая точка без усилительных транзисторов соединена с выходом введенной резистивнодиодной цепочки, включенной между

с входным, силовым выводом регулирую- . щего элемента и эмиттером введенного вспомогательного транзистора, база которого подключена к эмиттерам входных транзисторов усилителя обратной связи, а коллектор - к общей шине

0 стабилизатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Поляийн К.П. Интегральные стабилизаторы напряжения. М., Энергия,

5 1979.

2.Компенсационный стабилизатор напряжения LM 376 фирмы Nationat Semiconductor (CIilAJ , Ijinear integrated circuit D.A.T.A.Book, 1976.

0 3 Компенсационный стабилизатор в интегральном исполнении типа NC 562 фирмы General Instruments (ОНА) Linear integrated circuit D.A.Т.A.Book, 1976.