ВЫХОДНОЙ КАСКАД УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
OUTPUT STAGE OF POWER AMPLIFIER BASED ON COMPLEMENTARY TRANSISTORS

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ)).
Известны схемы двухтактных выходных каскадов усилителей мощности на комплементарных выходных транзисторах, которые являются базовым функциональным узлом современной аналоговой микросхемотехники [1-24].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является выходной каскад (ВК) усилителя мощности фиг.1, представленный в патенте US №7.411.455. Он содержит первый 1 и второй 2 выходные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны с выходом устройства 3, первую 4 шину питания, связанную с коллектором первого 1 выходного транзистора, вторую 5 шину источника питания, соединенную с коллектором второго 2 выходного транзистора, вход устройства 4.
Существенный недостаток выходного каскада-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокое входное сопротивление, а также имеет коэффициент усиления по току Ki, зависящий от численных значений β=50÷100 транзисторов.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении на несколько порядков входного сопротивления ВК и его коэффициента усиления по току при достаточно высоком уровне стабильности сквозного тока выходных транзисторов.
Поставленная задача достигается тем, что в выходном каскаде усилителя мощности на основе комплементарных транзисторов, содержащем первый 1 и второй 2 выходные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны с выходом устройства 3, первую 4 шину питания, связанную с коллектором первого 1 выходного транзистора, вторую 5 шину источника питания, соединенную с коллектором второго 2 выходного транзистора, вход устройства 4, предусмотрены новые элементы и связи вход устройства 4 соединен с затворами первого 6 и второго 7 входных транзисторов с управляющим р-n-переходом, стоки которых подключены ко второй 5 шине источника питания, база первого 1 выходного транзистора соединена с истоком первого 6 входного транзистора и стоком первого 8 вспомогательного транзистора, затвор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а исток связан с первой 4 шиной источника питания, база второго 2 выходного транзистора соединена с истоком второго 7 входного транзистора и стоком второго 9 дополнительного транзистора, затвор которого соединен с первой 4 шиной источника питания, а исток соединен с первой 4 шиной источника питания через первую 10 цепь последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1.
На фиг.2 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.5 приведена схема заявляемого устройства (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НИИ «Пульсар», а фиг.6 иллюстрирует зависимость его коэффициента усиления по напряжению, выраженного в децибелах, от частоты при значениях температуры схемы -40°С, 27°С и 100°С.
На фиг.7 показана осциллограмма на выходе схемы фиг.5 при подаче на вход сигнала с амплитудой 1 В.
Фиг.8 иллюстрирует зависимость коэффициента усиления по напряжению схемы фиг.5, выраженного в децибелах от температуры.
Выходной каскад усилителя мощности на основе комплементарных транзисторов фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 выходные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны с выходом устройства 3, первую 4 шину питания, связанную с коллектором первого 1 выходного транзистора, вторую 5 шину источника питания, соединенную с коллектором второго 2 выходного транзистора, вход устройства 4. Вход устройства 4 соединен с затворами первого 6 и второго 7 входных транзисторов с управляющим р-n-переходом, стоки которых подключены ко второй 5 шине источника питания, база первого 1 выходного транзистора соединена с истоком первого 6 входного транзистора и стоком первого 8 вспомогательного транзистора, затвор которого подключен к первой 4 шине источника питания, а исток связан с первой 4 шиной источника питания, база второго 2 выходного транзистора соединена с истоком второго 7 входного транзистора и стоком второго 9 дополнительного транзистора, затвор которого соединен с первой 4 шиной источника питания, а исток соединен с первой 4 шиной источника питания через первую 10 цепь последовательно-параллельно соединенных р-n переходов.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, исток первого 8 вспомогательного транзистора связан с первой 4 шиной источника питания через вторую 11 цепь последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов. Структура этой цепи зависит от построения выходных в общем случае составных транзисторов 1 и 2. Если первый 1 и второй 2 выходные транзисторы реализованы на основе одиночных биполярных транзисторов, то вторая 11 цепь последовательно-параллельно соединенных транзисторов, как это показано на фиг.3, может содержать один р-n-переход, а первая 10 цепь последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов может включать три диода (фиг.3).
На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве первого 6 входного транзистора используется составной полевой транзистор, содержащий основной полевой транзистор 12 с управляющим р-n-переходом, в исток которого включена третья 13 цепь последовательно-параллельно включенных р-n-переходов. В частном случае, при использовании в схеме фиг.4 одиночных биполярных транзисторов 1 и 2 третья 13 цепь последовательно-параллельно включенных р-n-переходов может содержать один диод.
Рассмотрим статический режим ВК фиг.2.
зи.7
зи.9
d
При нулевом входном сигнале и реализации первой 10 цепи последовательно-параллельных р-n-переходов на двух диодах напряжение затвор-исток второго 9 дополнительного и второго 7 входного транзисторов будут одинаковы и равны U=U=2U≈1,4В, а напряжение затвор-исток транзисторов 8 и 6 близко к нулю. Поэтому между базами транзисторов 1 и 2 устанавливается статическое напряжение
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>б</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mi>э</mi></msub><mo>=</mo><mn>1,4</mn><mi>B</mi><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Поэтому сквозной ток 1СКВ, протекающий в эмиттерной цепи транзисторов 1 и 2, определяется величиной 10:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>с</mi><mi>к</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>э</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>э</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
скв
При изменении температуры (или уровня радиации) величина I≈const остается постоянной.
За счет изменения числа диодов в первой 10 цепи последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов можно устанавливать другие заданные значения напряжения между базами транзисторов 1 и 2, которые могут выполняться в виде составных транзисторов по схеме Дарлингтона или схеме Линна (n-p-n- и p-n-р-транзисторы).
скв
В схеме фиг.3 за счет выбора различных комбинаций числа диодов в первой 10 и второй 11 цепях последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов обеспечивается более широкий диапазон напряжений между базами транзисторов 1, 2 и, следовательно, сквозного тока I.
Особенность схемы фиг.4 - близкий к нулю уровень выходного статического напряжения, что обеспечивается введением новых элементов в соответствии с п.3 формулы изобретения.
Входное сопротивление заявленного каскада соответствует входному сопротивлению входных полевых транзисторов 6 и 7 и достигает десятков-сотен мегаом. Эти транзисторы играют в схеме фиг.2 и другую важную роль - обеспечивают заданный разработчиком уровень сквозного тока выходных транзисторов.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №7.411.455, fig.1.
2. DE 102011122077, fig.8.
3. Патент США №6.268.769 fig.3.
4. Патент США №6.420.933.
5. Патент США №5.223.122.
6. Патентная заявка США №2004/0196101.
7. Патентная заявка США №2005/0264358 fig.1.
8. Патентная заявка США №2002/0175759.
9. Патент США №5.049.653 fig.8.
10.Патент США №4.837.523.
11.Патент США №5.179.355.
12.Патент Японии JP 10.163.763.
13.Патент Японии JP 10.270.954.
14.Патент США№5.170.134 fig.6
15.Патент США №4.540.950.
16.Патент США №4.424.493.
17.Патент Японии JP 6310950.
18.Патент США №5.378.938.
19.Патент США №4.827.223.
20.Патент США №6.160.451.
21.Патент США №4.639.685.
22.А.СВ. СССР 1506512.
23.Патент США №5.399.991.
24.Патент США №6.542.032.