Формирователь импульсных сигналов
PULSE SIGNAL SHAPER

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано в источниках вторичного электропитания, системах управления электрическими машинами, устройствах измерительной техники и автоматики в качестве драйвера контроллера с широтно-импульсным способом регулирования напряжения.
Известен формирователь импульсных сигналов [1], образованный двумя мощными МДП-транзисторами, диодом, конденсаторами и резисторами, где повышение быстродействия схемы и снижение потребления энергии от источника питания достигается за счет введения биполярного транзистора противоположной проводимости типу канала мощных МДП-транзисторов, катушки индуктивности с параллельным резистром, дополнительного конденсатора с последовательным резистором [1].
Известное устройство (фиг. 1) содержит два МДП-транзистора с каналом n - типа 1,2, биполярный транзистор с проводимостью, противоположной типу канала МДП-транзистора 3, катушку индуктивности 4, конденсаторы 5,…,7, резисторы 8,…,11, диод 12, где по линии 13 подается напряжение питания, а по линии 14 поступает входной сигнал управления элементами 1,2.
Недостатками известного устройства являются наличие магнитных полей, создаваемых катушкой индуктивности 4, технологические сложности изготовления моточного узла 4, низкая термостабильность из-за биполярного транзистора, влияние состояния элемента 2 на потенциал точки его присоединения к элементу 3, что исключает возможность работы схемы при высоких напряжения оконечного каскада 1, 2 и приводит к снижению устойчивости из-за наводок, особенно при высоких температурах.
Целью изобретения является увеличение мощности МДП-транзисторов при низком уровне питания формирователя широтно-импульсных сигналов, повышение устойчивости схемы, увеличение частоты коммутации мощных транзисторных ключей посредством снижения коммутационных потерь, повышение качества стабилизации напряжения (тока) за счет повышения температурной стабильности, упрощение технологии изготовления формирователя импульсных сигналов в интегральном исполнении благодаря применению технологии «карман в кармане» для создания МОП-транзисторов [2].
Поставленная цель достигается тем, что в формирователе импульсных сигналов (фиг. 2), содержащем МДП-транзисторы с каналом n-типа 1, 2, резистор 11 и конденсатор 7 нагрузки, бутстрепный конденсатор 6 и диод 12, где по линии 13 подается напряжение питания элементов формирователя импульсных сигналов, а по линии 14 поступает входной сигнал управления, согласно изобретению новым является то, что введен резистор 15 (фиг. 2) для увеличения постоянной цепи заряда бутстрепного конденсатора 6. Для обеспечения необходимой мощности заряда элемента 6 введен дополнительный параметрический стабилизатор напряжения (резистор 16, стабилитрон 17) с усилителем постоянного тока 18, токоограничивающим резистором 19 и "токовым зеркалом" на МДП-транзисторах 20, 21. В схеме фиг. 2 вместо элементов 3, 4, 10 введена комплементарная пара МДП-транзисторов 22, 23 с МДП-транзистором 24 в диодном включении для термостабильности сигналов управления элементами 1, 2 в заданном диапазоне температур. По линии 25 подается напряжение питания выходного каскада 1, 2 более высокого уровня чем напряжение на линии 13.
Принцип работы схемы состоит в следующем: при подаче сигнала высокого уровня по линии 14 на затворы МДП-транзисторов 2, 22 и 23, транзисторы 2 и 23 открыты. Транзистор 22 заперт, так как его затвор соединен с истоком через резистор 9 и потенциал истока близок к потенциалу линии 13. Конденсатор 6 заряжается до напряжения питания схемы за вычетом падения напряжения на резисторе 15, диоде 12, транзисторе 2 от параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на резисторе 16 и стабилитроне 17. Токовое зеркало поддерживает постоянный заряд элемента 6 и ограничивает ток диода 12, что исключает выход его из строя.
При подаче входного сигнала низкого уровня по линии 14, потенциал средней точки между транзисторами 1, 2 поднимается до напряжения близкого к питанию схемы, диод 12 закрывается, транзистор 22 отпирается, между затвором и истоком транзистора 1 подключается конденсатор 6, транзистор 1 открывается, а транзисторы 23 и 2 запираются. Напряжение кондесатора 6 через транзисторы 22, 24, прикладывается между затвором и истоком транзистора 2, происходит разряд. Ток перезаряда входной емкости транзистора 1 замыкается через конденсатор 6, тем самым создаются условия для быстрого переключения транзистора 1.
Напряжение питания подаваемое по линии 25 больше, чем на стоке транзистора 22, а напряжение конденсатора 6 позволяет получить достаточную амплитуду напряжения для отпирания танзистора 1 при низком напряжении питания схемы, подаваемое по линии 13.
Проверка функционирования формирователя импульсных сигналов (фиг. 2) проведена посредством моделирования в среде OrCAD [3] по разработанной математической модели, представленной на фиг. 3. Исследования проводились для верхнего плеча двухтактного каскада и схемы формирователя широтно-импульсных сигналов при варьировании величины бутстрепной емкости С. На фиг. 4 показаны следующие временные зависимости результатов измерений: напряжения на конденсаторе С U(C:2) на фиг. 4, а; напряжения на затворе транзистора М8 U(M8:g) на фиг. 4, б и напряжения на нагрузке R8 U(R8:1) на фиг. 4, в. На фиг. 4, а обозначены цифрами значения величины емкости конденсатора С: 1 – 50 нФ, 2 - 100 нФ, 3 - 150 нФ. Результаты исследований показали: что величина напряжения на затворе тарнзистора М8 зависит от соотношения постоянной цепи заряда (R3⋅C) и частоты коммутации транзистора М8. Принятые меры термостабилизации привели к тому, что изменение температуры в пределах от - 40°С до 120°С практически не влияют на функционирование схемы, что подтверждается результатами машинных экспериментов, представленных на фиг. 5, где показаны напряжения на конденсаторе С U(C:2) и на затворе транзистора М8 U(M8:g).
Результаты исследований показали, что минимальный уровень входного напряжения VI равен 10 Вольт при масимальном уровне питания выходного каскада V3 до 600 Вольт. Частота коммутации силовых транзисторов (fк) определяет величину емкости конденсатора 6 (R3⋅C >> 1/fк).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Колесников, Ю.Ю. Формирователь импульсных сигналов [Текст] / Ю.Ю. Колесников // Патент РФ №2114500, 1998.
2. Глухов А.В. Разработка технологического маршрута проектирования микросхем DC-DC преобразователей [Текст] / А.В. Глухов, В.И. Сединин. - Новосибирск, 2013. - №4. - С. 47-54.
3. Болотовский, Ю.И. OrCAD Моделирование [Текст] / Ю.И. Болотовский. - М.: СОЛОН-Пресс, 2009. - 254 с.