CS268708B1 - Širokopásmový sledoveč napětí - Google Patents

Abstract

3e řeáen Širokopásmový sledovač napětí pro kmitočty O Hz až stovky MHz. Sledovač Je tvořen diskrétními unipolárnimi nebo bipolórníml tranzistory e operačním zesilovačem. Vstup Širokopásmového sledovače Je spojen s bázi prvního tranzistoru, Jehož emitor Js spojen se vstupem emltorového sledovače, jehož výstup Je výstupem Širokopásmového sledovače nepětl·· Kolektor prvního tranzistoru Je spojen s bázi druhého trenzisto ru, Jenož emitor Je spojen s prvni napáječi svorkou a kolektor s emltorem prvního tranzistoru. Výstup Je přes vyrovnávací odpor spojen s neinvertujicím vstupem operačního zesilovače, Jehož invertujici vstup Je přes oddělovači odpor spojen se vstupem sledovače a Jeho výstup Je spojen a bázi třetího tranzistoru, který mé kolektor spojen s kolektorem prvního tranzistoru a e bázi druhého tranzistoru. Emitor třetího tranzistoru Je spojen s prvni napáječi svorkou. Druhý a třeti tranzistor Jsou opačného typu vodivosti vůči prvnímu tranzistoru. Sledovač lze použit pro vysokolmpedančni ektivni sondy měřicicn přístrojů nebo Jako předzesilovač proudu pro rychlé vzorkovací obvody používané ve spojeni s analogověčielicovými převodníky.

Description

1 CS 268 708 B1 7ynález se týká zapojení širokopásmového sleAovače napětí, rasy· nelzvertujíeíhezesilovače pro toeitočty oi O Η» io stovek MHz, vhodného pro vstupy měřicích přístrojů,analogevš-číslioovýeh převeAníků nebo pro rychlé vzorkovací ohveiy.

Současné širokopásmové sleAovmče .napětí a zesilovače lze podle použitých součástírozdělit Ao tří skupin. Ba obvody výhradmě operačními zesilovači, na obvody výhradně• tranzistory a na okroiy sestaveně jak z diskrétníoh tranzistorů, tak z operačníohzesilovačů. SleAovače a zesilovače první skupiny se vyznačují velikou přesností přenosunapětí, velikým vstupním oAporea a nepatrným výstupním odporem. Jsou určeny pro přenos1 těok nejpomalejěíok změn napětí, tety pro kmitočtově pásmo oA 0 Hz. Při kmitočtechnad 100 Hz jejlok přesnost s rostoucím kmitočtem klesá. Bapříklad při použití sledovačenapětí s běžným monolitickým operačním zesilovačem klesá jeho přesnost o 1 % již naA5 kHs, se speoiálním ryoklým operačním zesilovačem naA 100 kHs. Při desetinásobném kmi-točtu vzroste ckyka naA 10 % a při dvacetinásobném kmitočtu je takový aloůovač pro mě-řleí účely JIŽ nepoužitelný.

BejjednoduěSíml představiteli druhá skupiny jsou emltorově sledovače s blpolámíminebo unlpolárními tranzistory. Jejich horní mezní kmitočet přenosu je blízký k meznímakmitočtu tranzistoru, takže s nimi lze dosáhnout až stovek MHz při poklesu přenosu o10 %· Jejloh společnou nevýhodou je, že při galvanické vazbě se jejlok stejnosměrnévýstupní napětí liší sd.napětí vstupního a se změnami teploty se odohylka výstupníhonapětí od vstupů mění. Pro získání velkého vstupního odporu jsou výhodněJSÍ tranzistoryřízené elektrickým polem. Jejich další nevýhodou však je poměrně malé dosažitelné zesí-lení napětí, takže ve funkoi sledovače dosahují přenosu napětí mnohem menšího nes je za-potřebí. Proto jsou jako přenosové obvody velmi nepřesné. Pro využiti vysokého horníhomezního kmitočtu diskrétníoh tranzistorů a dosažení větěí přesnosti přenosu vznikajíkomblnaoe dvou až čtyř tranzistorů se zpětnou vazbou, schopné zabezpečit velikou vstupyní, malou výstupní impedanci a přenos napětí s modulem 1 až 10 v pásma, kmitočtů od sto-vek Hz do stovek MHz. 7 dosud známých zapojeních této skupiny se však nedaří výše uve-dené výhodné vlastnosti spojit s přesným a teplotně stálým přenosem stejnoměrné složkyvstupního napětí. Existují pouze kompromisní řešení, ve kterých zdokonalení přenosustejnosměrné složky vede k výraznému zhoriení ostatních parametrů /např. horní mezníkmitočet klesne na '10 až 20 MHz/· 7 kombinovaných zesilovačích a sledovaČíoh napětí třetí skupiny je snaha využítvýhod obou skupin. 7 dosud známýoh zapojeních se výhody obou skupin kombinují tak, žeeelý zesilovač je sestavován z paralelního spojení stejnosměrné větve s operačním zesi-lovačem se střídavou větví s diskrétními tranzistory. Největším problémem při reallzaoltakových zapojení je správně spojit nízkoimpedanční výstupy obou zesilovačů tak, abykmitočtový průběh přenosu napětí nebyl zvlněn a aby se neměnila výstupní impedanoe ce-lého obvodu při přechodu výstupu z jednoho zesilovače na druhý. To vyžaduje velmi ná-ročnou konatrukoi kmitočtově závislé a individuálně precizně nastavené výhybky. 7 tétotřetí skupině se používají též speciální operační zesilovače s tav. rychlou, střídavěnavázanou paralelní zeellovaoí větví, která umožní zvýšit horní mezní kmitočet do desí-tek MHz. 7 zapojení sledsvačové operační sítě však účinek těchto rychlých paralelníchvětví selhává, protože rychlá paralelní větev nemá diferenční vstup a je navázána pou-ze na vstup Invertujíoí. Výše uvedené nevýhody dosavadních řešení odstraňuje širokopásmový sledovač napětípodle vynálezu, seetávajíeí z diskrétních unlpolármíeh nebo blpolámíoh tranzistorů aoperačního zesilovače* Vstup širokopásmového sledovače napětí je spojen s bází první-ho tranzistoru, jehož emitor je spojen se vstupem jednoduchého nebo komplementárníhoemltorového sledovače, jehož výstup je výstupem širokopásmového sledovače napětí, kte-rý je přes vyrovnávací odpor spojen s ns Invertuj ícím vstupem operačního zesilovače, je-hož invertujíoí vstup je pře· oddělovaoí odpor spojen se vstupem širokopásmového zesi-lovače* Podtetaou vynálezu je, že kolektor prvního tranzistoru je spojen s bází druhé?·ho tranzistoru, jehož emitor je spojen s první napájecí svorkou a kolektor je epojen CS 268 708 B1 2 s emitorem prvního tranzistoru· Výstup operačního zesilovač· jo spojen e bází třetíhotranzistoru, Jehož kolektor je spojen s kolektore» prvního transistoru a s bází druhéhotransistoru· Emitor třetího transistoru Je spojen s první napájeoí svorkou· Druhý a tře-tí transistor Jsou opačného typu vodivosti vůči prvnímu transistoru· Mezi kolektor tře-tího transistoru a spojení kolektorů prvního transistoru s básí druhého transistorulse připojit kolektorový odpor· Další varianta spočívá v tou» Se nesl emitor prvníhotransistoru a spojení-kolektoru druhého transistoru so vstupe» enitorového sledovač· Josapojen pomocný odpor· Před vstup enitorového slodovačo lse předřadit obvod posuvu stoj-nosnčmého napčtí· Je též nožné nesl výstup operačního zesilovače a bási třetího tranzi-storu zapojit obvod pro omezení řídíoího napčtí; Výhodou tohoto Širokopásmového slodovačo napčtí podle vynálezu je, že Je pinč využito vlastností dlksrétníoh tranzistorů v pásnu kmitočtů od O Es až do stovek MHz bes pot-řeby elektrlokýoh výhybek· Potřebnou přesnost a stálost přenosovýoh vlastností v oblastinízkých a velni nízkýoh kmitočtů zajišťuje použitý operační zesilovač· Použiti prvníhotranzistoru řízeného polen a osazení jednoduchého resp· komplementárního enitorovéhoslodovačo bipolérními tranzistory umožňuje snadno získat značné velikou vstupní impe-danci při nepatrné impedanci výstupní a při veliké zatížitelnosti výstupu· To Je zvlášťdůležité tam, kde má být výstupní signál přenášen na větší, vzdálenost koaxiálním kabe-lem a malých charakteristickým odporem·

Druhý tranzistor a pomocný odpor umožňují velmi přesné nastavit jednotkový přenosv širokém pásmu kmitočtů a nahradit tak útlum signálu, který vzniká v každém emitoro-vém sledovači, je-li sledovač zatěžován malou impeáanoí· Třetí tranzistor umožňuje roz-šířit regulaci pracovního režimu tak, že oelý širokopásmový sledovač je málo závislýna přesnosti výběru součástek? Příklad uspořádání širokopásmového sledovače napčtí podle vynálezu je blokové uve-den na přiloženém výkrese·

Vstup 2 širokopásmového sledovače napčtí je spojen s básí prvního tranzistoru 2·Kolektor prvního tranzistoru 2 3® spojen buS přímo nebo přes kolektorový odpor 12 s ko-lektorem třetího tranzistoru 15. který je unipolámí nebo blpolámí a jehož emitor jespojen s první napájeoí svorkou 2· Zároveň je kolektor prvního tranzistoru 2 spojens básí druhého tranzistoru 22, jehož emitor je spojen s první napájeoí svorkou 2 a ko-lektor je přímo nebo přes pomooný odpor 14 spojen s emitorem prvního tranzistoru 2· V emitoru prvního tranzistoru 2 J® dále zapojen emitorový odpor 10. který je svým dru-hým koncem připojen k druhé napájeoí svorce 17. K uzlu, tvořenému spojem emitoru prv-ního tranzistoru 2 a buí přímo kolektoru druhého transistoru 13 nebo, v přípaťB zařa-zení pomooného odporu 14. druhého konce tohoto pomocného odporu 14. je připojen vstupjeinoduchého nebo komplementárního emitorového sledovače £· Před tímto emitorovým sle-dovač em 2 »ůže být zařazen obvod 11 posuvu stejnosměrného napětí· Výstup emitorovéhosledovače £ je výstupem širokopásmového sledovače napětí, který je dále spojen přesvyrovnávaoí odpor £ s nelnvertujícím vstupem operačního zesilovače χ, Jeho invertujíoívstup je přes oddělovací odpor 8 spojen se vstupem i širokopásmového sledovače; Výstupoperačního zesilovače X jo spojen s bází třetího tranzistoru 15 bu3 přímo nebo přesobvod 2 pro omezení řídícího napětí· Druhý a třetí tranzistor 13 a 15 jsou opačného ty-pu vodivosti vůči prvnímu tranzistoru 2*

Je-li na vstupu 2 širokopásmového sledovače napětí nulové nebo libovolné ve -vyme-zeném dynamickém rozsahu, přenáší tranzistorový obvod s prvním a druhým tranzistorem 2a 13 a s následujícím emitorovým sledovačen 2 na výstup 2 s určitou odchylkou, podmí-něnou teplotou a napájecím napětím* Diferenční vstup operačního zesilovače χ obě napětíporovná a bu3 přímo nebo přes obvod 2 pro omezení řídícího napětí ovlivní pracovníproud třetího tranzistoru 15 a tím 1 praoovní body prvního a druhého tranzistoru 2 o13 tak, aby se odchylka snížila na úroveň napěťového ofsetu použitého operačního zesi-lovače χ. K minimalizaci této odchylky přispívá obvod 11 posuvu stejnosměrného napětía pomooný odpor 14. Mění-11 se vstupní napětí širokopásmového sledovače dostatečně po- CS 268 708 B1 3 málu, pomalý operační zesilovač χ stačí vyrovnávat případné odchylky výstupního napětív celém časovém průběhu signálu· Jsou?li změny vstupního napětí pro operační zesilovač2 příllS rychlé, reaguje operační zesilovač 2 pouze na stejnosměrnou složku časovéhoprůběhu odotqrlek«V takovém případě operační zesilovač £ vyrovnává jen stejnosměrnousložku a časový průběh výstupního napětí je dán jen přenosovými vlastnostmi tranzisto-rové části obvodu·

Kolektorový odpor 12 odděluje kolektorovou kapacitu třetího tranzistoru 15. takževetupní obvod, tvořený prvním a druhým tranzistorem χ a 13. je schopen dosáhnout vyčěí-ho mezního kzitočtu* Saitorový odpor 10 Je zatěžovaoím odporem tohoto vstupního obvodua lze jím nastavit pracovní hody všech tří tranzistorů 2, 13. 15·

Obvod podle vynálezu lze realizovat jako modul z diskrétních součástek nebo jakohybridní integrovaný obvod· Technologicky je možná i realizace jako monolitický inte-grovaný obvod, avěak sledovač z principu nemůže dosáhnout tak vysokých teohnlckých pa-rametrů·

Tento Širokopásmový sledovač lze s výhodou použít pro vysokoimpedanční aktivnísondy měřloích přístrojů - osolloskopů, voltmetrů a podobně nebo jako předzesilov&čproudu pro rychlé vzorkovací obvody, používané ve spojení s analogově-člslioovýml pře-vodníky·

Claims (4)

4 CS 268 708 B1 pSbdmSi tiiíhíu

1. Širokopásmový sledovaS napětí, sestávajíoí z diskrétních unipolámíoh nebo bipolár?níoh transistorů a operačního zesilovače, kde vstup ilrokopásmového sledovaSe napě-tí Je spojen s bází prvního tranzistoru, Jehož emitor je spojen se vstupem jednodu-chého nebo komplementárního emitorového sledovaSe, Jehož výstup Je výstupem Široko-pásmového sledovaSe napStí, který je přes vyrovnávaoí odpor spojen s neinvertujícímvstupem operaSního zesllovaSe a invertujíoí vstup operačního sesilovaSe je přesoddělovaoí odpor spojen se vstupem Širokopásmového zesllovaSe, vyznačující se tím. Že kolektor prvního tranzistoru /2/ je spojen s bází druhého tranzistoru /13/, je-hož emitor je spojen s první napájecí svorkou /3/ a kolektor je spojen s emitoremprvního tranzistoru /2/ a výstup operaSního zesllovaSe /7/ je spojen s bází třetíhounlpolámího nebo blpolámího tranzistoru /15/, jehož kolektor je spojen s kolekto-rem prvního tranzistoru /2/ a s bází druhého tranzistoru /13/ a emitor třetího tran-sistoru /15/ je spojen s první napájecí svorkou /3/, přičemž druhý a třetí tranzi-stor /13, 15/ jsou opačného typu vodivosti vůSi prvnímu tranzistoru /2/.

2« Širokopásmový sledovaS napětí podle bodu 1, vyznačující se tím, že mezi kolektortřetího tranzistoru /15/ a spojení kolektoru prvního tranzistoru /2/ s bází druhéhotranzistoru /13/ je zapojen kolektorový odpor /12/·

3« Slrikopásmový sledovaS napětí podle bodů 1 a 2, vyznačující se tím, že mezi emitorprvního tranzistoru /2/ a spojení kolektoru druhého tranzistoru /13/ se vstupememitorového sledovaSe /4/ je zapojen pomooný odpor /14/·

4* Širokopásmový sledovaS napětí podle bodu 1 až 3, vyznačující se tím, že před vstupemitorového sledovaSe /4/ je předřazen obvod /11/ posuvu stejnoaměrméhe napětí. 1 výkres