БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДРАЙВЕР ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКИ
HIGH-SPEED CAPACITIVE LOAD DRIVER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на емкостную нагрузку).
Известны схемы драйверов линий связи, построенных на основе операционных усилителей с отрицательной обратной связью, которые стали основой многих серийных микросхем первого и второго поколения [1-7].
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является драйвер с емкостной нагрузкой, описанный в книге Достала И. Операционные усилители. - М.: Мир, 1982, с.447, рис.13.18, содержащий источник сигнала 1, связанный со входом буферного каскада 2, выход которого 3 подключен к конденсатору цепи нагрузки 4.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он характеризуется сравнительно низким быстродействием из-за влияния конденсатора цепи нагрузки 4 на переходный процесс выходного напряжения.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширении диапазона его рабочих частот.
Поставленная задача достигается тем, что в драйвере емкостной нагрузки (фиг.1), содержащем выходной каскад 1, вход которого соединен с источником входного сигнала 2, а выход 3 подключен к конденсатору цепи нагрузки 4, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен преобразователь «напряжение-ток» 5, потенциальный вход которого соединен с выходом 3 выходного каскада 1, потенциальный выход 6 соединен с цепью коррекции 7, первый 8 токовый выход подключен ко входу первого 9 токового зеркала, согласованного с первой 10 шиной источника питания, второй 11 токовый выход подключен ко входу второго 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания, токовые выходы первого 9 и второго 12 токовых зеркал связаны с выходом 3 выходного каскада 1, причем приращение токов первого 8 и второго 11 токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» 5 для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции 7.
вых
На фиг.1 приведена схема драйвера-прототипа, где R - выходное сопротивление операционного усилителя.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема 5 преобразователя «напряжение-ток» в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показан пример практического использования заявляемого устройства фиг.2 для управления дифференциальной линией связи, содержащей два конденсатора цепи нагрузки 4 и 4* и два противофазных источника входных напряжений 2 и 2*.
На фиг.5 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice при реализации преобразователя «напряжение-ток» по схеме фиг.3.
к
20
На фиг.6 представлена зависимость времени установления выходного импульса напряжения схемы фиг.5 от значения емкости конденсатора 20 С=С цепи нагрузки 7 фиг.2 при коэффициенте передачи токовых зеркал 9 и 12, равном единице.
к
20
На фиг.7 приведена зависимость времени установления выходного импульса напряжения схемы фиг.5 от значения емкости конденсатора 20 С=С цепи коррекции 7 при коэффициенте усиления токовых зеркал 9 и 12, равном двум единицам.
На фиг.8 представлена схема драйвера фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice.
к
20
На фиг.9 показана зависимость времени установления выходных импульсов напряжения драйвера фиг.8 от значения емкости конденсатора С=С цепи коррекции 7 при коэффициенте усиления токовых зеркал 9 и 12, равном единице.
Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки фиг.2 содержит выходной каскад 1, вход которого соединен с источником входного сигнала 2, а выход 3 подключен к конденсатору цепи нагрузки 4. В схему введен преобразователь «напряжение-ток» 5, потенциальный вход которого соединен с выходом 3 выходного каскада 1, потенциальный выход 6 соединен с цепью коррекции 7, первый 8 токовый выход подключен ко входу первого 9 токового зеркала, согласованного с первой 10 шиной источника питания, второй 11 токовый выход подключен ко входу второго 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания, токовые выходы первого 9 и второго 12 токовых зеркал связаны с выходом 3 выходного каскада 1, причем приращение токов первого 8 и второго 11 токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» 5 для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции 7.
Кроме этого в схеме фиг.2 цепь коррекции 7 реализована на основе конденсатора 20. Резистор 21 моделирует эквивалентное сопротивление на выходе 3, которое учитывает входное сопротивление преобразователя 5 и выходные сопротивления токовых зеркал 9, 12. Выходной каскад 1 реализован здесь на основе резисторов 22, 23 и операционного усилителя 24 по традиционной схеме. Резистор 25 моделирует конечное значение выходного сопротивления выходного каскада 1.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, преобразователь «напряжение-ток» 5 содержит первый 14 и второй 15 входные транзисторы разного типа проводимости с объединенными базами, являющимися потенциальным входом преобразователя «напряжение-ток» 5, эмиттеры первого 14 и второго 15 входных транзисторов через соответствующие первый 16 и второй 17 токостабилизирующие двухполюсники связаны с соответствующими первой 10 и второй 13 шинами источника питания, коллектор первого 14 входного транзистора соединен со второй 13 шиной источника питания, коллектор второго 15 входного транзистора соединен с первой 10 шиной источника питания, эмиттер первого 14 входного транзистора соединен с базой первого 18 выходного транзистора, эмиттер которого подключен к потенциальному выходу 6 преобразователя «напряжение-ток» 5, а коллектор соединен с первой 10 шиной источника питания, эмиттер второго 15 входного транзистора соединен с базой второго 19 выходного транзистора, эмиттер которого подключен к потенциальному выходу 6 преобразователя «напряжение-ток» 5, а коллектор соединен со второй 13 шиной источника питания.
Рассмотрим работу известного (фиг.1) и предлагаемого (фиг.2) устройств.
вых.1
25
При скачкообразном изменении входного напряжения на входе выходного каскада 1 (фиг.1) начинается достаточно медленный процесс заряда конденсатора цепи нагрузки 4 (С4). Постоянная времени цепи заряда этой емкости определяется выходным сопротивлением R≈R выходного каскада 1 и емкостью конденсатора 4 (С4) (фиг.2).
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow><mover><mi>U</mi><mo>⋅</mo></mover></mrow><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>i</mi><mn>8</mn></mrow></msub><msub><mi>i</mi><mrow><mi>c</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>c</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
i8
9
i8
i9
ck
ck
k
20
В заявляемой схеме фиг.2 напряжение на конденсаторе С4
передается на выход преобразователя «напряжение-ток» 5, что приводит к увеличению тока через цепь коррекции 7 и, следовательно, выходного тока первого токового выхода 8
, где K≈1 - коэффициент передачи по току преобразователя «напряжение-ток» 5. Как следствие, это приводит к увеличению выходного тока первого 9 токового зеркала i=KKi≈i, что ускоряет процесс перезаряда конденсатора цепи нагрузки 4. Таким образом, на выходе токового зеркала 9 формируется импульс тока, способствующий более быстрому заряду конденсатора цепи нагрузки 4 (С4). Об этом свидетельствуют графики фиг.6, когда при емкости конденсатора 20 цепи коррекции 7 C≈C=43 пф время установления переходного процесса уменьшается с 48 нс до 5 нс, т.е. в 9 раз.
i9
k
20
При коэффициенте передачи токового зеркала 9 K=-2 и нерациональном выборе C=C в схеме фиг.5 возможно существенное перерегулирование выходного напряжения, что необходимо учитывать при создании практических устройств.
Таким образом, заявляемый драйвер обеспечивает при емкостной нагрузке более высокое быстродействие.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4.691.174, fig. 1, fig. 5.
2. Патент США №4.667.146 fig. 1.
3. Патент США №4.528.515 fig. 2.
4. Патент США №4.475.087 fig. 10.
5. Патент США №4.536.717 fig. 1.
6. Патент США №4.714.896 fig. 1.
7. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2007. - С.34, рис.1.22.