CC BY
62
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 89083258946.
Titov Alexey Evgen’evich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 89083258946.
УДК 621.317
ЕЛ. Старченко АРХИТЕКТУРА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С НУЛЕВЫМ ВЫХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Рассматриваются вопросы проектирования интегральных стабилизаторов , -ценных для изготовления в составе микроэлектронных устройств «система-на-кристалле».
Стабилизатор; нулевой выход.
E.I. Starchenko INTEGATED VOLTAGE REGLATOR WITH ZERO OUTPUT IMPEDANCE ARCHITECTURE
Integral voltage regulators, having tended to a zero output impedance circuit techniques, oriented for integration in the system-on-crystal are considered.
Stabilized; zero output.
. , -няются по принципу импульсного преобразования энергии, зачастую только стабилизатор напряжения (СН) непрерывного типа может обеспечить электроэнергией необходимого качества узлы и блоки информационно-измерительных и управляющих систем, выполненных по технологии «система на кристалле». Дестабилизирующими факторами в СН могут быть нестабильность первичного источника , , , -. -жет решить многие проблемы повышения стабильности выходного напряжения, но увеличение глубины обратной связи порождает массу других проблем - обеспечение устойчивости, требуемой динамической стабильности и других [1]. Эффективным методом повышения точностных показателей СН становится формирование дополнительных каналов параметрической компенсации, в частности выходного сопротивления [2].
Классическая архитектура СН, содержащая в своем составе различным образом выполненные датчики тока нагрузки, приведена на рис. 1. Отметим, что чаще всего датчик тока нагрузки органично входит в состав структуры как элемент цепи защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. В то же время наличие информации о токе нагрузки позволяет определенным образом воздейство-
вать на параметры элементов структуры СН, приводя к существенному снижению выходного сопротивления при достаточно малом петлевом усилении.
Рис. 1. Обобщенная функциональная схема СН с датчиками тока нагрузки
Стабилизаторы напряжения с компенсацией базового тока РЭ. На рис. 2 представлены варианты схемотехнической реализации СН, в которых осуществляется контроль за током базы регулирующего элемента (РЭ) с последующей его , , параметры которых можно обеспечить стремление к нулю выходного сопротивле-.
Рис. 2. СН с контролем тока базы регулирующего элемента
Так, в схеме СН (рис. 2,а) базовый ток РЭ (составной транзистор Q7, Q8) измеряется с помощью повторителя тока на транзисторах Q5 и Q6 и возвращается в повторитель тока на транзисторах Q1 и Q2 (входящий в состав усилителя сигнала
( ).
связи (ПОС) по току нагрузки - при изменении тока нагрузки необходимое приращение тока базы РЭ возникает не за счет «перекоса» дифференциального каскада, а за счет приращения тока нагрузки. (Резистор R18 играет роль датчика тока для , ).
Дифференциальное выходное сопротивление такого СН можно представить следующим образом [3]:
, гг (1-К,К2) (1)
- 1 + КД£К„,(1 + К,)• (1)
где гР - выходное сопротивление разомкнутого СН; К,, К2 - коэффициент передачи тока повторителей тока на транзисторах Q1, Q2 и Q5, Q6 соответственно; Кд - коэффициент передачи делителя напряжения обратной связи (ДНОС) на резисторах R2, R13; £ - крутизна передачи дифференциального каскада на транзисторах Q3, Q4; Янз - эквивалентное сопротивление, приведенное ко входу РЭ.
Условие настройки контура ПОС в этом случае очевидно: К,К2 = 1. Это условие легко выполнимо при использовании интегральной технологии. Следует отметить, что возможна и перекомпенсация входного тока РЭ, которая приведет к по. , [4], -
чивость такого СН обеспечивается достаточно просто: необходимо, чтобы входное сопротивление РЭ по абсолютной величине было больше выходного сопротивле-. -ного сопротивления будут положительными и выбором постоянных времени корректирующей цепи и емкости нагрузки можно обеспечить устойчивость СН при скачкообразных изменениях тока нагрузки.
Еще один из вариантов построения СН с контуром ПОС в РЭ приведен на рис. 2,6. В этом случае датчиком тока РЭ служит транзистор Q10, ток коллектора которого пропорционален току нагрузки. Далее этот ток через базовый вывод транзистора Q4 подается на соответствующий вход повторителя тока на транзисторах Q8, Q9 и втекает в базу транзистора Q10, замыкая контур ПОС. Потребное приращение тока базы РЭ в этом случае можно записать как
МБЛ0 — АХ]2$КдК + МБА , (2)
где А]2 - приращение выходного напряжения СН; К - коэффициент передачи повторителя тока на транзисторах Q8, Q9; £ - крутизна передачи дифференциального каскада, Кд - коэффициент передачи ДНОС; А!вл - приращение тока базы /'-го транзистора.
С учетом того, что
ЛБ, 4 =
ЛІН в10
(1 + 1)(4 + 1){в10 + 1
где А1Н - приращение тока нагрузки; Д - коэффициент передачи тока базы /'-го транзистора, из (2) для выходного сопротивления СН следует:
Лин
I. PioK'
в4 + 1
вых~ ЛН ~К,(i + 1)(10 + 1)
(З)
где гэ - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора дифференциального каскада.
Как и в предыдущем случае, выходное сопротивление СН стремится к нулю при стремлении к нулю числителя в выражении (З), что происходит в случае, когда
K = ( + 1) = 1
Рю а ’
r
э
при условии, что р4 ~ Рю . Требуемое значение К, обратно пропорциональное коэффициенту передачи а тока эмиттера легко достигается выбором отношения резисторов Я3, Я4.
,
способов введения контура положительной обратной связи в цепь управления РЭ является некоторое возрастание минимальной разности напряжения вход-выход в СН.
Управление опорным током в усилителе сигнала рассогласования. В есь-ма эффективным способом снижения выходного сопротивления СН является управление током УСР [4, 6]. На рис. 3 приведены примеры схемотехнической реализации такого способа компенсации выходного сопротивления.
В схеме СН (рис. 3,а) выходное сопротивление уменьшается за счет дополнительного контура положительной обратной связи, вводимого в усилитель сигнала .
Схема СН работает следующим образом. Например, при наличии положи-
( ), увеличивается ток через транзистор УТ5 и, соответственно, уменьшается ток, поступающий в базу транзистора УТ1. В результате приращение напряжения на выходе устройства компенсируется, при этом ток на выходе повторителя тока на транзисторах УТ3 и УТ6 возрастает, что приводит и к увеличению тока эмиттера транзистора УТ4. То есть при любом токе нагрузки разность токов транзисторов УТ4 и УТ5 постоянна, что приводит к постоянству разности напряжений база-эмиттер транзисторов УТ4 и УТ5, образующих каскад сравнения части выходного напряжения с опорным. Таким образом, напряжение на выходных клеммах устройства слабо зависит от тока нагрузки.
,
,
током и потребным током базы РЭ.
, -
лителя сигнала рассогласования справедливо следующее соотношение:
Д^Э.4,5 =ФТ ^Т4, (4)
-*■5
где I - ток эмиттера соответствующего транзистора дифференциального каскада; температурный потенциал.
Выходной ток повторителя тока на транзисторах УТ7 и УТ8, представляющий собой сумму токов эмиттеров транзисторов УТ4 и УТ5, можно записать как
18 = 14 + 15 = 15^5 {К3,6 + 1)К7,8 , (5)
где а5 - коэффициент передачи тока эмиттера транзистора УТ5; К■ - коэффици-
енты передачи соответствующих повторителей тока.
Найдя из (5) ток 14 и подставив его в (4), находим
^^/УЗ.4,5 = 1П[^5К7,8 {3,6 + 1)— 1 , (6)
откуда видно, что разность напряжений база-эмиттер транзисторов УТ4 и УТ5,
образующих дифференциальный каскад, не зависит от тока нагрузки. То есть ошибка, обусловленная конечным выходным сопротивлением СН, компенсируется
. ,
стремится к нулю, за счет чего и достигается высокая стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.
Для того чтобы в приведенном СН не возник триггерный эффект, необходимо чтобы всегда
что легко выполнимо, если один из повторителей тока выполнить с возможностью масштабирования коэффициента передачи, например, с помощью резисторов Ю и Я4. (С таким же успехом масштабирующие резисторы могут быть включены в эмиттерные цепи транзисторов УТ3, УТ6.)
Управление током усилителя ошибки (рис. 3,6) происходит с помощью повторителя тока на транзисторах р5, рб через цепочку Б3Я9, подключенную к базе РЭ (транзистор р3). Поскольку в этом случае резистор Я9 должен быть достаточно , , стабилитрон Б3 в этом случае нужен для задания необходимого начального тока.
Датчик тока на резисторе совместно с переходом база-эмиттер транзистора р3 создает необходимое приращение тока в дифференциальном каскаде, пропорциональное приращению тока нагрузки, чем достигается повышенная стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки.
(7)
а
б
Рис. 3. СН с управлением тока в УСР
а
в
Рис. 4. СН с управлением тока в УСР (а) и управлением тока РЭ
В СН (рис. 4,а) УСР источник опорного напряжения (стабилитрон УБ2) и ДНОС схемотехнически интегрированы и повторитель тока на транзисторах УТ4, УТ5 питается от потенциала базы РЭ (транзистор УТ7). В этом случае приращение
- , -грузки и тока холостого хода, прикладывается к резистору Я1, определяющему ток .
тока нагрузки меняется не только ток коллектора транзистора УТ6, но и в проти-вофазе ток коллектора транзистора УТ5. Таким образом достигается компенсация влияния конечного выходного сопротивления СН не только за счет контура отрицательной обратной связи, но и возникающего контура ПОС. Следует отметить, что традиционный датчик, измеряющий ток нагрузки, в данной схеме также от.
Управление источником тока регулирующего элемента. Управление то. 4, .
первый транзистор составного РЭ. Как показано в [5], такое управление эквивалентно повышению коэффициента усиления тока базы РЭ:
где Бпт - крутизна прямой передачи полевого транзистора.
С другой стороны, если учесть, что приращение тока базы РЭ складывается из приращения тока коллектора транзистора УТ2 и тока стока полевого транзистора УТ1, то для приращения тока нагрузки можно записать:
Как показано на рис. 1, с целью компенсации изменения выходного напряжения СН при изменении тока нагрузки можно воздействовать и на источник опорно. , -противление СН будет
где Яр - выходное сопротивление СН при разомкнутом контуре отрицательной обратной связи; К1 - коэффициент, пропорциональный току нагрузки; гоп - дифференциальное сопротивление источника опорного напряжения; К0 - коэффициент усиления по напряжению УСР.
Однако такой способ компенсации выходного сопротивления не может быть рекомендован при выполнении источника опорного напряжения с температурной , -
.
Результаты схемотехнического моделирования некоторых из рассмотренных схем представлены ниже. Так, на рис. 5 представлена АЧХ разомкнутого СН,
А1Н _ АинКдБ2 +
\
/
(3 + 1)в4 + 1),
(8)
Гшх _ Кд82 в + Ш + 1).
. 2, ) . , -грузки в 10 мА усиление составляет 85 дБ, а далее вплоть до тока нагрузки в 1 А
67 .
Это обусловлено тем, что приведенное ко входу сопротивление нагрузки стремится к бесконечности и коэффициент усиления УСР определяется только его собственным выходным сопротивлением и крутизной прямой передачи.
Рис. 5. А ЧХразомкнутого СН при различных токах нагрузки
На рис. 6 представлен график переходного процесса на выходе СН при скачкообразном изменении тока нагрузки от 1 А до нуля. Маркерами (□) помечен переходный процесс при отсутствии в схеме (рис. 2,а) элементов р9, Я9, С6. При наличии этих элементов при сбросе тока нагрузки постоянная времени цепи нагрузки обусловлена не только емкостью нагрузки С1 и сопротивлением ДНОС (Я2, Я13), но и проводимостью открытого транзистора Р9, что позволяет в несколько раз
( , ( ). Переходный процесс показывает, что СН остается устойчивым при коммутации , ,
( . 7).
Рис. 6. Переходный процесс при скачкообразном изменении тока нагрузки
На рис. 7 приведена зависимость выходного напряжения при изменении тока нагрузки от 14 мА до 1,02 А, показывающая, что выходное напряжение меняется в четвертом знаке после запятой. Это соответствует изменению выходного сопротивления в пределах ± 0,3 мОм, включая участок нулевого выходного сопротивле-.
нагрузки до 1 А составляет менее ± 20 ppm, что на один-два порядка превосходит лучшие образцы, выпускаемые промышленностью.
Аналогично высокие результаты имеют и другие рассмотренные схемы, причем относительная нестабильность тем выше, чем на более низкий диапазон изменения тока нагрузки рассчитан СН.
Рис. 7. Изменение выходного напряжения СН при изменении тока нагрузки
Приведенные примеры построения схем СН с близким или нулевым выходным сопротивлением не исчерпывают возможных вариантов схемотехнических реализаций, однако позволяю сделать следующие выводы:
1. -ного напряжения СН является применение местного контура положительной обратной связи по току нагрузки наряду с общим контуром отрицательной обратной .
2.
в цепи базы РЭ, а также в цепи опорного тока усилителя сигнала рассогласования. Управление током ИТ, обеспечивающим ток базы РЭ, требует выполнения токостабилизирующего элемента с возможностью управления, то есть ИТ не может .
3. Вводить контур положительной обратной связи в источник опорного напряжения целесообразно только в случае применения в качестве источника опорного напряжения простейшего, например, на основе стабилитрона. В других случаях это может привести к нарушению режима работы источника опорного напряжения и ухудшения его температурной стабильности.
4. Схемотехническими способами снижения выходного напряжения СН мож-
20 ppm
в максимальном диапазоне, изменения тока нагрузки, что позволяет применять , , -симости от уровня аналогового сигнала.
1. Анисимов В.И. Переходные процессы интегральных СН в нелинейных режимах [Текст] / В. И. Анисимов, М. В. Капитонов, А. И. Рогач // Электронная техника в автоматике / Сб. под ред. Ю.И.Конева. - М.: Радио и связь, 1983. Вып. 14. - С. 128-137.
2. Старченко Е.И. Применение параметрических каналов компенсации в непрерывных стабилизаторах напряжения [Текст] / Е.И. Старченко // Электроника и связь. - Киев, 2002. - №15. - С.40-44.
3. . . -
янного напряжения [Текст] / ВТ. Манжула, АЗ. Попов, В.А. Ставцев, Е.И. Старченко //Радиоэлектроника и связь. - Л., 1992. - №1(3). - С. 82-86.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
4. . . - -
налами: монография [Текст] / Е.И. Старченко. - Шахты: Изд-во ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. - 108 с.
5. . . ,
нейтронов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Акральные проблемы производства и потребления электроэнергии». - 2009. - № 5 (94). - С. 108-116.
6. Патент 2208833 РФ, МПК G05F 1/56. Стабилизатор напряжения [Текст]/ Старченко Е.И., Сафонов А.И. Заявитель и патентообладатель Южно-Рос. гос. ун-т экономики и
, 2003. . 20.
Старченко Евгений Иванович
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.
E-mail: [email protected].
346500, . , . , 147.
Тел.: 88636222037.
« »; .
Starchenko Eugeny Ivanovich
South-state university of economics and servises.
E-mail: [email protected]
147, Shevchenko, Shahty, 346500, Russia.
Phone: 88636222037.
Department of “Information systems and radio engineering”; professor.
УДК 621.372
С. А. Г рипинский
УПРАВЛЯЕМЫЕ ФАЗОВЫЕ КОРРЕКТОРЫ СМЕШАННЫХ СИСТЕМ НА КРИСТАЛЛЕ СВЧ-ДИАПАЗОНА
Предложена принципиальная схема управляемого напряжением фазового корректора для технологического npoifecca SGB25VD. Предложена методика идентификации параметров полевого транзистора как управляемого сопротивления. Рассмотрен процесс синтеза управляемого фазового корректора и результаты его .
Управляемый фазовый корректор (УФК); полевой транзистор в режиме управляемого сопротивления; системы на кристалле (СнК).
S.A. Gripinskiy
CONTROLLABLE PHASE CORRECTORS OF COMBINED SYSTEM ON CHIP FOR SHF BANDWIDTH
Schematic circuit of controllable phase corrector for technological process SGB25VD suggested. Identification method for MOSFET transistors as controllable resistors suggested. Synthesis process of controllable phase corrector and modeling results examined.
Controllable phase corrector; MOSFET transistor in controllable resistor mode; system on chip (SoC).
Создание смешанных систем на кристалле (СнК) для радиотехнических комплексов, систем диагностики в стандарте ZigBee связано в первую очередь с по-
- ( ), -
