CC BY
20НЕТРАДИЦИОННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОВТОРИТЕЛЕЙ ТОКА В АНАЛОГОВОЙ МИКРОСХЕМОТЕХНИКЕ
Прокопенко Н.Н.([email protected]), Никуличев Н.Н
Южно-российский государственный университет экономики и сервиса,
г.Шахты
Классические повторители тока(ПТ)[1] благодаря ряду уникальных свойств находят самое широкое применение во многих устройствах аналоговой микросхемотехники. В данной работе рассматриваются варианты нетрадиционного применения повторителей тока, позволяющие получить новые схемотехнические решения дифференциальных и операционнных усили-телей(ОУ), стабилизаторов напряжения и т.п., с улучшенными качественными характеристиками. При этом ПТ выступают в роли самовыключающихся коммутаторов(Б-коммутаторов), состояние которых (включено-выключено) зависит от величины протекающего через них тока. На рис. 1а приведён пример ПТ на п-р-п транзисторе. В зависимости от соотношении токов 10 и 1к транзистор УТ1 может находиться либо в режиме насыщения(при 10>1к) либо в активном режиме( 10<1к). Это свойство ПТ может быть использовано для целенаправленного изменения свойств тех или иных аналоговых устройств.
а) б)
Рис. 1- Подсхема коммутатора (а) и нелинейная модель транзистора (б)
Задача параметрического синтеза схемы коммутации сводится к нахождению совокупности допустимых значений автономных и неавтономных параметров[6], определяющих погрешность передачи сигнала. Основными параметрами транзисторных коммутаторов(ТК), характеризующих качество выполнения возложенных на них функций, являются остаточное
напряжение коллектор-эмиттер иост.кэ находящегося в режиме насыщения транзистора, а также сопротивления коммутаторов в разомкнутом и замкнутом состояниях[5].
Используя известные уравнения Эберса-Молла для идеализированной модели транзистора(рис.1б)[1] можно получить аналитическое выражение для остаточного напряжения иосткэ на выходном транзисторе ПТ( рис. 1а).
иост = УТ 1п
I
К 0
1Э0аМ I а1аы )1 Э0
1 А
(1)
Условие, при котором Ц 0сТ = 0, получим из (1):
т = (1К0 aNIЭ0 У0 1К ~ '
(1 ) ТЭ 0 '
Продифференцировав (1) по переменной 1К нетрудно найти выражение для дифференциального сопротивления коммутатора в замкнутом состоянии:
г = диОСТ = У 1 — аIаN
Гд ~ лт
д1К 1К (1 —аа ) — 10ТЭ0аN
По данным литературы [5] модуляторные кремниевые транзисторы на основе планарной технологии имеют иОСТ около 0,2-0,5мВ. В разомкнутом состоянии сопротивление коммутатора определяется выходным сопротивлением закрытого коллекторного перехода транзистора УТ1. Температурную нестабильность величины Цост характеризует температурный коэффициент КЦост, который по данным, приведённым в [5], имеет значение КЦост ~ 0,001 1/ оС.
Рассмотрим несколько возможных применений коммутаторов тока на основе ПТ в аналоговых устройствах .
Применение1. Для расширения диапазона активной работы дифференциальных усилителей(ДУ) и, как следствие, повышения на 1-2 порядка быстродействия ОУ, могут применяться нелинейные корректирующие цепи(НКЦ) БЦ-класса[1]. В этих схемах управляющие напряжения для НКЦ формируются с помощью дифференциальных коммутаторов, построенных на основе повторителей тока(рис.1а). На рис.2 приведены пример построения ДУ с дифференциальными коммутаторами, а на рис.2б его проходная характеристика при 10=0,2мА, 101 = 102=0,15мА и разных сопротивлениях резистора. В рассматриваемом ДУ статический режим устанавливаеся источниками тока 101 10 102 . При входном напряжении ивх=0 электронные коммутаторы на элементах У01, УТ5 и У02, УТ6 находятся в замкнутом состоянии. Этот режим обеспечивается выбором токов 101 = 102
> 10 /2. При положительном приращении входного напряжения открывается транзистор УТ4 и дальнейшее приращение ивх прикладывается к участку цепи "Я2-ибэ.уТ4" . Пропорционально увеличению ивх растёт коллекторный ток транзистора УТ1, а следовательно и ток нагрузки. Таким образом происходит компенсация нелинейности проходной характеристики и её продление в область больших сигналов.
а)
б)
Рис.2 - Принципиальная схема(а) и проходная характеристика(б) квазилинейного ДУ на основе коммутаторов тока
Граничные координаты проходной характеристики(рис.2б) связаны с параметрами элементов схемы(рис.2а) следующим образом:
1( ) нтх < РуТ4 102,
где рУТ4 - коэфициент усиления тока базы транзистора УГ4.
Угол наклона проходной характеристики определяется резистором Я2=Я1:
tgY=1/R2.
Применение2. На основе Б-коммутаторов возможно построение эмиттерных повторителей(ЭП) с нелинейной коррекцией(рис.З). Отличие таких схем от классических ЭП состоит в наличии зоны нечувствительности на характеристике ^=А(ивх) в области средних входных напряжений. Это обеспечивается прямой передачей сигнала через насыщенный транзистор Б-коммутатора в нагрузку, минуя выходной транзистор. В таком режиме дифференциальные параметры ЭП существенно изменяются. Такой подход к
построению составных транзисторов с Б-коммутаторами тока позволяет управлять(за счёт соответствующего выбора тока 10) их нелинейными свойствами, уменьшить уровень нелинейных искажений малых сигналов.
ЯН=1к, 10=1мА
а)
Рис. 3 Эмиттерные повторители и составные транзисторы с Б-коммутаторами тока ПрименениеЗ. В непрерывных компенсационных стабилизаторах напряжения основными функциональными узлами(ФУ), определяющими нелинейные режимы работы при больших скачках тока нагрузки, являются регулирующие элементы и усилители сигнала рассогласования. К данным ФУ
возможно подключение НКЦ с использованием рассматриваемых коммутаторов тока.
На рис.4 приведён пример построения компенсационного стабилизатора напряжения с нелинейной коррекцией на основе -коммутатора. При малых токах нагрузки транзистор УТ1 находится в режиме насыщения и петля отрицательной обратной связи замыкается через него. Как только ток нагрузки становится равным 2101 УТ1 входит в активный режим, и дальнейшее приращение тока нагрузки обеспечивается открывшимся транзистором УТ3. Это позволяет повысить нагрузочную способность стабилизатора.
Рис.4 Пример нелинейной коррекции операционного усилителя А1 в схеме компенсационного стабилизатора напряжения
Применение 4. Проблема расширения функциональных возможностей микросхем операционных усилителей, получения новых схемотехнических решений с улучшенными динамическими свойствами и нагрузочной способностью, может быть решена путём применения НКЦ на основе рассматриваемых повторителей тока(рис.5). Для схемы рис.5 замкнутое состояние коммутаторов на элементах УГ1,У01 и УГ2,УЭ2 при малых токах нагрузки обеспечивается соответствующим выбором тока через резистор Я1. При увеличении тока нагрузки больше 1А1гр транзистор УГ1(УГ2) входит в активный режим и дополнительное приращение тока нагрузки обеспечивается мощными транзисторами УТ3, УТ4 .
Рис.5 Пример нелинейной коррекции операционного усилителя А1
Таким образом, приведённые выше примеры нетрадиционного применения ПТ показывают, что на их основе возможно создание новых схемотехнических решений аналоговых устройств различных классов.
Список литературы
1. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. Л., 1979.
2. Прокопенко Н.Н. Основы структурного синтеза нелинейных корректирующих цепей усилительных каскадов./ М.,1992. Деп. в ВИНИТИ 01.02.92, № 76550.
3. Прокопенко Н.Н. Вопросы проектирования входных каскадов микроэлектронных операционных усилителей. Канд. Диссертация., Л., 1975.
4. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М., 1977.
5. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника.-М.:Энергоатомиздат, 1983.-216с.
