БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
BUFFER AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве буферного усилителя аналоговых интерфейсов различного функционального назначения (например, повторителях сигналов, драйверов линий связи и т.п.).
Известны схемы буферных усилителей (БУ) на основе операционных усилителей со 100% обратной связью [1-8], которые стали основой многих серийных изделий, выпускаемых как зарубежными, так и российскими микроэлектронными фирмами.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель, описанный в патенте фирмы Motorola (США) №4.042.886 fig.1, содержащий токовое зеркало 1, входной дифференциальный каскад 2 с первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 и базой составного транзистора 5, эмиттер которого соединен с выходом устройства 6 и цепью нагрузки 7.
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он характеризуется сравнительно небольшим петлевым усилением, что отрицательно сказывается на его динамических параметрах - дифференциальном выходном сопротивлении в схеме с обратной связью, динамической ошибке передачи сигнала и др. [9].
см
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в увеличении петлевого усиления. Дополнительная цель - в уменьшении напряжения смещения нуля (U).
Поставленная цель достигается тем, что в известном буферном усилителе (фиг.1), содержащем токовое зеркало 1, входной дифференциальный каскад 2 с первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 и базой составного транзистора 5, эмиттер которого соединен с выходом устройства 6 и цепью нагрузки 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 8 и второй 9 дополнительные каскады усиления на транзисторах по схеме с общей базой, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1 через первый 8 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 через второй 9 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, причем общие выводы 10 и 11 первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой соединены друг с другом и подключены к эмиттеру выходного составного транзистора 5.
На фиг.1 показана схема БУ-прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 показан частный случай выполнения составного транзистора 5, а также первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах 13 и 14 по схеме с общей базой..
На фиг.4 показана схема фиг.2 для случая, когда входной дифференциальный каскад 2 реализован на основе «перегнутого» каскода.
На фиг.5 приведена схема БУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.6 показана схема БУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.7 - амплитудно-частотная характеристика его коэффициента усиления без обратной связи.
На фиг.8 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.9 - амплитудно-частотная характеристика его коэффициента усиления без обратной связи.
Буферный усилитель (фиг.2) содержит токовое зеркало 1, входной дифференциальный каскад 2 с первым 3 и вторым 4 токовыми выходами, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 и базой составного транзистора 5, эмиттер которого соединен с выходом устройства 6 и цепью нагрузки 7. В схему введены первый 8 и второй 9 дополнительные каскады усиления на транзисторах по схеме с общей базой, первый 3 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан со входом токового зеркала 1 через первый 8 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, второй 4 токовый выход входного дифференциального каскада 2 связан с выходом токового зеркала 1 через второй 9 дополнительный каскад усиления на транзисторе по схеме с общей базой, причем общие выводы 10 и 11 первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой соединены друг с другом и подключены к эмиттеру выходного составного транзистора 5.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, эмиттер выходного составного транзистора 5 соединен также с выходом устройства 6 через цепь согласования потенциалов 12.
На фиг.3 показан частный случай выполнения составного транзистора 5, а также первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах 13 и 14 по схеме с общей базой.
На фиг.4 показана схема (фиг.2) для случая, когда входной дифференциальный каскад 2 реализован на основе транзисторов 18-20, двухполюсников 21, 22 и выходных транзисторов 23 и 24.
На фиг.5, в соответствии с п.3 формулы изобретения, эмиттер выходного составного транзистора 5 связан с общими выводами 10 и 11 первого 8 и второго 9 дополнительных каскадов усиления на транзисторах по схеме с общей базой через вспомогательный повторитель напряжения 25, реализованный на основе элементов 26-28.
см
Рассмотрим причины, способствующие снижению напряжения смещения нуля U схемы фиг.3.
0
Если принять, что ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 2 равен 2I, то токи выходов 3 и 4
б.р
где I - ток базы входных n-р-n-транзисторов, образующих входной дифференциальный каскад 2.
С учетом первого закона Кирхгофа можно найти токи коллектора транзисторов 13 и 14
б.13
б.14
где I(I) - ток базы транзистора 13 (14).
Поэтому сумма токов в узле «А» при коэффициенте передачи по току подсхемы 1 (например, токового зеркала Вильсона), равном единице
б.13
б.14
p
см
р
Учитывая, что I=I, из (4) следует, что сумма токов в узле «А» равна нулю, т.е. разностный ток I, являющийся причиной появления U, I=0.
б.13
б.14
p
б.13
б.14
см
р
см
вх
Вследствие воздействия, например, радиации, токи I и I изменяются в несколько раз, однако и в этом случае I≈0, так как изменения I и I одинаковы. Как следствие, это уменьшает U, так как разностный ток I в узле «А» создает U, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u ДУ (фиг.3) в выходной ток узла «А»
э15
э16
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов дифференциального каскада 2.
Поэтому для схем (фиг.3)
где
т
φ≈26 мВ - температурный потенциал.
p
см
В ДУ-прототипе (фиг.1) I≠0 и U≠0
5
где β=30÷50 - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.
см
см
см
Поэтому в схеме (фиг.1) систематическая составляющая U получается как минимум на порядок больше (фиг.6, U=534 мкВ), чем в заявляемой схеме (фиг.8, U=20 мкВ).
Введение новых элементов в соответствии с формулой изобретения повышает коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи).
у
Действительно, замечательной особенностью предлагаемого усилителя является повышение (более чем на порядок) коэффициента усиления БУ по напряжению К без обратной связи. Для БУ-прототипа (фиг.1)
1
где r - выходное сопротивление токового зеркала 1;
4
r - выходное сопротивление дифференциального каскада 2 относительно выхода 4;
вх.5
н
R - эквивалентное сопротивление нагрузки R, приведенное к узлу «А»;
э15
э16
- крутизна входного дифференциального каскада 2, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов транзисторов 15 и 16 (r, r);
5
β - коэффициент усиления по току базы транзистора 5.
н
экв
В связи с этим при β>50 и R≥1 кОм эквивалентное сопротивление R в узле «А» определяется транзисторами 15 и 16
-3
где µ≈10 - коэффициент внутренней обратной связи транзистора 16.
Поэтому численные значения предельного коэффициента усиления БУ по напряжению (фиг.1)
15
16
y
y
y
4
В предлагаемом устройстве (фиг.2-5) максимально возможный коэффициент усиления  Поэтому за счет минимизации влияния статического режима на разность коэффициентов внутренней обратной связи µ-µ транзисторов 15 и 16 коэффициент усиления по напряжению K схемы фиг.2 (фиг.3-4) возрастает более чем на порядок. Действительно, компьютерное моделирование (фиг.7 и 9) показывает, что заявляемый БУ имеет более чем на 30 дБ большее усиление в схеме без обратной связи (K>10 или 100 дБ). Повышение K и, как следствие, петлевого усиления, оказывает положительное влияние на ряд динамических параметров буферного усилителя [9].
Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется более высокими качественными показателями, что позволяет рекомендовать его для массового применения в архитектуре аналоговых интерфейсов (особенно в тех случаях, когда требуются десятки-сотни операционных усилителей с малой потребляемой мощностью).
Библиографический список
1. Патент США №4.042.886.
2. Патент Японии JP 10032437.
3. Патент Японии JP 2005033558.
4. Патент США №4.595.883, fig.4.
5. Патентная заявка США №2005/0063270А1, fig.2.
6. Патент США №5.166.638, fig.1.
7. Патент США №5.537.081, fig.3.
8. Патент США №6.114.904.
9. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л., 1979. - 148 с.