БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИСТОКОВЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
QUICK-ACTING SOURCE VOLTAGE REPEATER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в различных аналоговых устройствах на полевых и биполярных транзисторах в качестве выходного (буферного) усилителя.
н
н
Базовым узлом современных аналоговых устройств является истоковый повторитель напряжения (ИПН), который реализуется как схема с общим стоком (на полевых) или как схема с общим коллектором на биполярных транзисторах. Данная структура (фиг.1) [1-25] широко используется как в аналоговых (класс H03F), так и в цифровых (класс H03K) устройствах. В последнем случае ИПН выполняет функции драйвера - каскада управления линиями связи или согласующей цепи. Как правило, нагрузка известных ИПН [1-25] содержит активное сопротивление R и емкость С, отрицательно влияющую на малосигнальный диапазон рабочих частот и быстродействие при импульсном изменении входного сигнала большой амплитуды.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический повторитель напряжения, описанный в патенте US 6043690 fig.1. Он содержит первый 1 входной полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу 2 устройства, сток соединен с первой 3 шиной источника питания, а исток связан со второй 4 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 5 и подключен к выходу устройства 6, паразитная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 6 и общей шиной источников питания 8.
в
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что он имеет сравнительно узкий диапазон рабочих частот для малого сигнала, который определяется постоянной времени цепи нагрузки (τ).
в
Действительно, в первом приближении верхняя граничная частота f (по уровню - 3 дБ) классического ИПН фиг.1 не лучше, чем
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>≤</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>τ</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
в
где τ - постоянная времени цепи нагрузки. Причем
<mrow><mi>τ</mi><mmultiscripts><mo>≈</mo><mprescripts /><mi>в</mi><none /></mmultiscripts><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>S</mi></mfrac><mrow><mo>‖</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>C</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
,
где S - крутизна входного полевого транзистора 1 ИПН-прототипа фиг.1;
н
R - эквивалентное сопротивление нагрузки;
н
С - эквивалентная емкость нагрузки.
н
Основная задача предлагаемого изобретения - расширение диапазона рабочих частот ИПН при наличии емкости на выходе С, которая не может быть уменьшена по объективным причинам - является неотъемлемой частью цепи нагрузки, например пьезокерамического преобразователя и т.п.
Дополнительная задача - уменьшение времени установления переходного процесса при импульсном изменении входного напряжения.
Поставленная задача достигается тем, что в истоковом повторителе напряжения фиг.1, содержащем первый 1 входной полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу 2 устройства, сток соединен с первой 3 шиной источника питания, а исток связан со второй 4 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 5 и подключен к выходу устройства 6, паразитную емкость нагрузки 7, включенную по переменному току между выходом устройства 6 и общей шиной источников питания 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения 9, вход которого соединен с выходом устройства 6, а выход подключен к истоку первого 1 входного полевого транзистора через дополнительный конденсатор 10.
На чертеже фиг.1 приведена схема ИПН - прототипа.
На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 представлена схема заявляемого устройства фиг.2 в среде Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов.
к
н
0
На чертеже фиг.4 показана осциллограмма входных и выходных сигналов ИПН фиг.3 при С2=С=1фФ≈0 и С=С=20 пФ. Из данного графика следует, что ИПН фиг.3 при близком к нулю значении емкости Ск неудовлетворительно отрабатывает отрицательный фронт входного напряжения, что связано с запиранием входного полевого транзистора 1.
к
На чертеже фиг.5 приведена в увеличенном масштабе осциллограмма изменения заднего фронта выходного сигнала V(Out) ИПН фиг.3 при различных значениях емкости С2=С=0÷20 пФ. Из данного графика следует, что время установления переходного процесса в заявляемом ИПН уменьшается с 500 нс до 185 пс (ИПН-прототип), т.е. более чем в 2000 раз.
к
На чертеже фиг.6 приведена в увеличенном масштабе осциллограмма изменения переднего фронта выходного сигнала V(Out) ИПН фиг.3 при различных значениях емкости С2=С=0÷20 пФ. Из данного графика следует, что время установления переходного процесса для данной полярности выходного напряжения в заявляемом ИПН также уменьшается - с 40 нс (ИПН-прототип) до 50 пс, т.е. более чем в 800 раз.
Быстродействующий истоковый повторитель напряжения фиг.2 содержит первый 1 входной полевой транзистор, затвор которого подключен ко входу 2 устройства, сток соединен с первой 3 шиной источника питания, а исток связан со второй 4 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 5 и подключен к выходу устройства 6, паразитная емкость нагрузки 7, включенная по переменному току между выходом устройства 6 и общей шиной источников питания 8. В схему введен дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения 9, вход которого соединен с выходом устройства 6, а выход подключен к истоку первого 1 входного полевого транзистора через дополнительный конденсатор 10. Резистор 11 моделирует влияние на работу схем эквивалентного сопротивления нагрузки.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения 9 имеет коэффициент усиления по напряжению (Ky) больше единицы, а емкость дополнительного конденсатора 10 удовлетворяет условию
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
,
7
где C - паразитная емкость нагрузки 7.
Рассмотрим работу схемы ИПН фиг.2.
В результате анализа схемы фиг.2 можно получить следующее уравнение для коэффициента передачи по напряжению ИПН в операторной форме:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>п</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>э</mi></msub><mi>P</mi><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
э
11
11
<mrow><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>1</mn></mrow>
где R=R/(1+RS),
.
Комплексный коэффициент передачи по напряжению ИПН фиг.2
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>K</mi><mo>˙</mo></mover><mi>п</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>K</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>Σ</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
в.Σ
э
7
10
где τ=R[С+С(1-Ky)].
При этом верхняя граничная частота ИПН
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>в</mi><mo>.</mo><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>R</mi><mi>э</mi></msub><mtext> </mtext><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
10
Условие частотной независимости коэффициента передачи ИПН фиг.2 (2) можно представить в виде ограничений на параметры С и Ky:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>K</mi><mi>y</mi></msub><mo>></mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext> </mtext><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
y
10
7
y
10
7
Если K=2, то емкость дополнительного конденсатора С=С. При K=1,1 численные значения С=10С и т.п.
Важное достоинство AT фиг.1 - это независимость условий расширения частотного диапазона от сопротивления резистора нагрузки 11, который может изменяться.
Статический режим входного транзистора 1 устанавливается в частном случае двухполюсником 5. Неинвертирующий усилитель напряжения 9 не влияет на статику схемы.
Таким образом, в заявляемой схеме создаются условия для существенного расширения диапазона рабочих частот, который на практике будет определяться (и ограничиваться) инерционностью дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9. Однако эти функциональные узлы могут быть выполнены на более высокочастотных (чем полевые) биполярных транзисторах, так как для их построения не требуется иметь высокие входные сопротивления и другие свойства, которые недопустимы для входного транзистора 1 (малый уровень шумов, близкая к нулю, входная проводимость, широкий диапазон линейной работы и т.п.).
Выполненный выше анализ, а также результаты компьютерного моделирования показывают, что в заявляемой схеме решена одна из проблем современной аналоговой микросхемотехники - расширение частотного диапазона истоковых (эмиттерных) повторителей напряжения.
Кроме этого, как следует из графиков фиг.5, 6, в заявляемой схеме при емкостной нагрузке существенно повышается быстродействие в режиме большого сигнала - время установления переходного процесса и скорость нарастания выходного напряжения улучшаются в десятки - сотни раз.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества по диапазону рабочих частот и быстродействию (при импульсном изменении входного напряжения).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 6.919.743 fig.9
2. Патент US 7.898.339 fig.4
3. Патент US 6.727.729 fig.5B
4. Патент US 7.733.182 fig.1
5. Патент US 6.043.690 fig.1, fig.2
6. Патент US 3.678.402 fig.2, fig.7
7. Патент US 4.855.625 fig.1
8. Патент US 5.469.085 fig.2
9. Патент US 4.492.932 fig.4a
10. Патент US 4.092.701
11.Патент US 4.698.526 fig.2
12.Патент US 6.469.562 fig.A, fig.2A
13.Патент US 6.154.580
Н.Патент US 8.248.161
15.Патент US 7.304.540
16.Патент US 7.944.303 fig.1
17.Патент US 8.148.962 fig.2
18.Патент US 4.123.723 fig.2, fig.3
19.Патент US 5.083.095 fig.4
20.Патент US 5.045.808
21.Патент US 4.101.788 fig.2
22.Патент US 3.436.672
23.Патент US 4.168.471
24.Патент US 5.365.199
25.Патент US 5.666.070