БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
QUICK-ACTING BUFFER AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного каскада для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности (буферного усилителя), в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях.
Одним из классических вариантов построения буферных усилителей (БУ) являются схемы так называемых «бриллиантовых» транзисторов, которые стали основой современных аналоговых микросхем [1-22]. Предполагаемое изобретение, относящееся к данному классу устройств, имеет широкое применение, в том числе адаптировано на работу в диапазоне низких температур, что обеспечивается его схемотехникой и использованием базовых матричных кристаллов АБМК_1.3/1.4/1.7/2.1 (ОАО «Интеграл», г. Минск).
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель, представленный в патенте США №5.512.859, fig 3. (эта архитектура БУ присутствует в большем числе других патентов [1-22]). Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства 6, первая 7 цепь управления статическим режимом первого 1 входного транзистора, согласованная с первой 8 шиной источника питания, связанная с эмиттером первого 1 входного транзистора и базой второго 5 выходного транзистора, вторая 9 цепь управления статическим режимом второго 2 входного транзистора, согласованная со второй 10 шиной источника питания, связанная с эмиттером второго 2 входного транзистора и базой первого 4 выходного транзистора, первая 11 паразитная емкость, связанная с базой второго 5 выходного транзистора, вторая 12 паразитная емкость, связанная с базой первого 4 выходного транзистора, причем коллекторы первого 4 выходного и первого 1 входного транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания, а коллекторы второго 2 входного и второго 5 выходного транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания.
вых
Существенный недостаток известного буферного усилителя состоит в том, что он имеет малую скорость нарастания выходного напряжения (ϑ), которая обусловлена наличием паразитных емкостей в базовой цепи первого 4 и второго 5 выходных транзисторов. Как следствие, из-за нелинейных режимов работы входных транзисторов 1 и 2 при большом импульсном входном сигнале время установления переходного процесса в известном БУ имеет сравнительно большие значения. Для многих прецизионных применений БУ - это недопустимо.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении максимальной скорости нарастания выходного напряжения и уменьшении времени установления переходного процесса в БУ при больших импульсных входных сигналах (соизмеренных с напряжением питания).
Поставленная задача достигается тем, что в буферном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства 6, первая 7 цепь управления статическим режимом первого 1 входного транзистора, согласованная с первой 8 шиной источника питания, связанная с эмиттером первого 1 входного транзистора и базой второго 5 выходного транзистора, вторая 9 цепь управления статическим режимом второго 2 входного транзистора, согласованная со второй 10 шиной источника питания, связанная с эмиттером второго 2 входного транзистора и базой первого 4 выходного транзистора, первая 11 паразитная емкость, связанная с базой второго 5 выходного транзистора, вторая 12 паразитная емкость, связанная с базой первого 4 выходного транзистора, причем коллекторы первого 4 выходного и первого 1 входного транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания, а коллекторы второго 2 входного и второго 5 выходного транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первой 7 и второй 9 цепей управления статическим режимом первого 1 и второго 2 входных транзисторов соответственно применяются инвертирующие усилители тока, причем в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы разного типа проводимости, базы которых соединены со входом 3 устройства, коллектор первого 13 дополнительного транзистора соединен со входом второго 9 инвертирующего усилителя тока, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с первой 8 шиной источника питания через первый 15 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через первый 16 корректирующий конденсатор, коллектор второго 14 дополнительного транзистора соединен со входом первого 7 инвертирующего усилителя тока, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через второй 18 корректирующий конденсатор.
На чертеже фиг. 1 представлена схема буферного усилителя -прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства.
На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства в среде PSpice на транзисторах радиационно-стойкого базового матричного кристалла АБМК 1.4, допускающего работу при низких температурах.
На чертеже фиг. 4 показаны переходные процессы в заявляемом устройстве фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующих конденсаторов С1=С18, С2=С16.
Быстродействующий буферный усилитель фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства 6, первая 7 цепь управления статическим режимом первого 1 входного транзистора, согласованная с первой 8 шиной источника питания, связанная с эмиттером первого 1 входного транзистора и базой второго 5 выходного транзистора, вторая 9 цепь управления статическим режимом второго 2 входного транзистора, согласованная со второй 10 шиной источника питания, связанная с эмиттером второго 2 входного транзистора и базой первого 4 выходного транзистора, первая 11 паразитная емкость, связанная с базой второго 5 выходного транзистора, вторая 12 паразитная емкость, связанная с базой первого 4 выходного транзистора, причем коллекторы первого 4 выходного и первого 1 входного транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания, а коллекторы второго 2 входного и второго 5 выходного транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания. В качестве первой 7 и второй 9 цепей управления статическим режимом первого 1 и второго 2 входных транзисторов соответственно применяются инвертирующие усилители тока, причем в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы разного типа проводимости, базы которых соединены со входом 3 устройства, коллектор первого 13 дополнительного транзистора соединен со входом второго 9 инвертирующего усилителя тока, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с первой 8 шиной источника питания через первый 15 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через первый 16 корректирующий конденсатор, коллектор второго 14 дополнительного транзистора соединен со входом первого 7 инвертирующего усилителя тока, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через второй 18 корректирующий конденсатор.
i
Рассмотрим работу заявляемого БУ фиг. 2. Статический режим схемы фиг. 2 устанавливается дополнительными токостабилизирующими двухполюсниками 15 и 17. При коэффициенте передачи по току K≈1 первого 7 и второго 9 инвертирующих усилителей тока статические эмиттерные токи первого 1 и второго 2 входных транзисторов будут определяться формулами
При малых входных импульсных сигналах все элементы схемы БУ работают в линейном режиме, и как следствие, БУ имеет максимально возможное быстродействие. В этом режиме переменная составляющая напряжений на первом 16 и втором 18 корректирующих конденсаторов будет близка к нулю. Так как приращение напряжений на эмиттере первого 13 дополнительного транзистора и выходе устройства 6 идентично. Поэтому эти конденсаторы не влияют на работу схемы в режиме малого сигнала.
При большом положительном импульсном входном сигнале (соизмеримом с напряжением питания) второй 2 входной транзистор запирается по цепи базы, и поэтому медленный заряд второй 12 паразитной емкости обеспечивается через второй 9 инвертирующий усилитель второго 2 входного транзистора. В этом режиме образуется большая разность напряжений между входом 3 и выходом 6 устройства, которые дифференцируются первым 16 корректирующим конденсатором. В результате через первый 16 корректирующий конденсатор формируется большой импульс тока, который передается через первый 13 дополнительный транзистор на вход второго 9 инвертирующего усилителя второго 2 входного транзистора, а затем в цепь базы первого 4 выходного транзистора. Как следствие скорость перезаряда второй 12 паразитной емкости существенно возрастает, что способствует быстрому увеличению напряжения на базе первого 4 выходного транзистора и, как следствие, выходного напряжения БУ.
вых
вых
]5
По мере приближения уровня выходного напряжения u к уровню входного напряжения БУ u, приращение напряжения на первом 16 корректирующем конденсаторе, и следовательно, ток через первый 16 корректирующий конденсатор уменьшаются. В конечном итоге схема БУ входит в линейный режим - когда ток заряда второй 12 паразитной емкости уменьшается до уровня тока I первого 15 дополнительного токостабилизирующего двухполюсник.
В таблице 1 приведены данные, рассчитанные по графикам фиг. 4, свидетельствующие об улучшение динамических параметров БУ фиг. 3.
Компьютерное моделирование (фиг. 4, таблица 1) показывает, что в сравнении с прототипом динамические параметры предлагаемого БУ существенно улучшаются. Так для переднего фронта время установления переходного процесса уменьшается более, чем в 800 раз, а скорость нарастания выходного напряжения также увеличивается более, чем в 800 раз. Выигрыш по динамическим параметров для заднего фронта несколько хуже, что связано с существенным отличием параметров, применяемых в схеме фиг. 3 pnp-транзисторов базового матричного кристалла АБМК_1.4 (ОАО «Интеграл», г. Минск). При использовании других идентичных npn- и pnp-транзисторов, например, нового АБМК_2.1 (ОАО «Интеграл», г. Минск) данный эффект в заявляемом устройстве не проявляется. Это связано с его высокой топологической симметрией.
Таким образом, заявляемое устройство обладает более высоким быстродействием в режиме большого сигнала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6.268.769 fig. 3
2. Патент США №6.420.933
3. Патент США №5.223.122
4. Патентная заявка США №2004/0196101
5. Патентная заявка США №2005/0264358 fig. 1
6. Патентная заявка США №2002/0175759
7. Патент США №5.049.653 fig. 8
8. Патент США №4.837.523
9. Патент США №5.179.355
10. Патент Японии JP 10.163.763
11. Патент Японии JP 10.270.954
12. Патент США №5.170.134 fig. 6
13. Патент США №4.540.950
14. Патент США №4.424.493
15. Патент Японии JP 6310950
16. Патент США №5.378.938
17. Патент США №4.827.223
18. Патент США №6.160.451
19. Патент США №4.639.685
20. А. св. СССР 1506512
21. Патент США №5.399.991
22. Патент США №6.542.032