RU2668985C1 - Быстродействующий буферный усилитель - Google Patents

Быстродействующий буферный усилитель Download PDF

Info

Publication number
RU2668985C1
RU2668985C1 RU2017139036A RU2017139036A RU2668985C1 RU 2668985 C1 RU2668985 C1 RU 2668985C1 RU 2017139036 A RU2017139036 A RU 2017139036A RU 2017139036 A RU2017139036 A RU 2017139036A RU 2668985 C1 RU2668985 C1 RU 2668985C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
transistor
transistors
additional
Prior art date
Application number
RU2017139036A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Анна Витальевна Бугакова
Андрей Алексеевич Игнашин
Илья Викторович Пахомов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2017139036A priority Critical patent/RU2668985C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2668985C1 publication Critical patent/RU2668985C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/26Push-pull amplifiers; Phase-splitters therefor
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/34DC amplifiers in which all stages are DC-coupled
    • H03F3/343DC amplifiers in which all stages are DC-coupled with semiconductor devices only
    • H03F3/347DC amplifiers in which all stages are DC-coupled with semiconductor devices only in integrated circuits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного каскада для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности (буферного усилителя) в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например операционных усилителях. Технический результат: повышение максимальной скорости нарастания выходного напряжения и уменьшение времени установления переходного процесса в БУ при больших импульсных входных сигналах. Быстродействующий буферный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы разного типа проводимости, первый и второй выходные транзисторы разного типа проводимости, первую цепь управления статическим режимом первого входного транзистора, вторую цепь управления статическим режимом второго входного транзистора, первую паразитную емкость, вторую паразитную емкость. В качестве первой и второй цепей управления статическим режимом первого и второго входных транзисторов соответственно применяются инвертирующие усилители тока, в схему введены первый и второй дополнительные транзисторы разного типа проводимости, первый дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и второй дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве выходного каскада для усиления быстроизменяющихся аналоговых сигналов по мощности (буферного усилителя), в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях.
Одним из классических вариантов построения буферных усилителей (БУ) являются схемы так называемых «бриллиантовых» транзисторов, которые стали основой современных аналоговых микросхем [1-22]. Предполагаемое изобретение, относящееся к данному классу устройств, имеет широкое применение, в том числе адаптировано на работу в диапазоне низких температур, что обеспечивается его схемотехникой и использованием базовых матричных кристаллов АБМК_1.3/1.4/1.7/2.1 (ОАО «Интеграл», г. Минск).
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является буферный усилитель, представленный в патенте США №5.512.859, fig 3. (эта архитектура БУ присутствует в большем числе других патентов [1-22]). Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства 6, первая 7 цепь управления статическим режимом первого 1 входного транзистора, согласованная с первой 8 шиной источника питания, связанная с эмиттером первого 1 входного транзистора и базой второго 5 выходного транзистора, вторая 9 цепь управления статическим режимом второго 2 входного транзистора, согласованная со второй 10 шиной источника питания, связанная с эмиттером второго 2 входного транзистора и базой первого 4 выходного транзистора, первая 11 паразитная емкость, связанная с базой второго 5 выходного транзистора, вторая 12 паразитная емкость, связанная с базой первого 4 выходного транзистора, причем коллекторы первого 4 выходного и первого 1 входного транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания, а коллекторы второго 2 входного и второго 5 выходного транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания.
Существенный недостаток известного буферного усилителя состоит в том, что он имеет малую скорость нарастания выходного напряжения (ϑвых), которая обусловлена наличием паразитных емкостей в базовой цепи первого 4 и второго 5 выходных транзисторов. Как следствие, из-за нелинейных режимов работы входных транзисторов 1 и 2 при большом импульсном входном сигнале время установления переходного процесса в известном БУ имеет сравнительно большие значения. Для многих прецизионных применений БУ - это недопустимо.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении максимальной скорости нарастания выходного напряжения и уменьшении времени установления переходного процесса в БУ при больших импульсных входных сигналах (соизмеренных с напряжением питания).
Поставленная задача достигается тем, что в буферном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства 6, первая 7 цепь управления статическим режимом первого 1 входного транзистора, согласованная с первой 8 шиной источника питания, связанная с эмиттером первого 1 входного транзистора и базой второго 5 выходного транзистора, вторая 9 цепь управления статическим режимом второго 2 входного транзистора, согласованная со второй 10 шиной источника питания, связанная с эмиттером второго 2 входного транзистора и базой первого 4 выходного транзистора, первая 11 паразитная емкость, связанная с базой второго 5 выходного транзистора, вторая 12 паразитная емкость, связанная с базой первого 4 выходного транзистора, причем коллекторы первого 4 выходного и первого 1 входного транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания, а коллекторы второго 2 входного и второго 5 выходного транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в качестве первой 7 и второй 9 цепей управления статическим режимом первого 1 и второго 2 входных транзисторов соответственно применяются инвертирующие усилители тока, причем в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы разного типа проводимости, базы которых соединены со входом 3 устройства, коллектор первого 13 дополнительного транзистора соединен со входом второго 9 инвертирующего усилителя тока, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с первой 8 шиной источника питания через первый 15 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через первый 16 корректирующий конденсатор, коллектор второго 14 дополнительного транзистора соединен со входом первого 7 инвертирующего усилителя тока, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через второй 18 корректирующий конденсатор.
На чертеже фиг. 1 представлена схема буферного усилителя -прототипа, а на чертеже фиг. 2 - схема заявляемого устройства.
На чертеже фиг. 3 приведена схема заявляемого устройства в среде PSpice на транзисторах радиационно-стойкого базового матричного кристалла АБМК 1.4, допускающего работу при низких температурах.
На чертеже фиг. 4 показаны переходные процессы в заявляемом устройстве фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующих конденсаторов С1=С18, С2=С16.
Быстродействующий буферный усилитель фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства 3, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства 6, первая 7 цепь управления статическим режимом первого 1 входного транзистора, согласованная с первой 8 шиной источника питания, связанная с эмиттером первого 1 входного транзистора и базой второго 5 выходного транзистора, вторая 9 цепь управления статическим режимом второго 2 входного транзистора, согласованная со второй 10 шиной источника питания, связанная с эмиттером второго 2 входного транзистора и базой первого 4 выходного транзистора, первая 11 паразитная емкость, связанная с базой второго 5 выходного транзистора, вторая 12 паразитная емкость, связанная с базой первого 4 выходного транзистора, причем коллекторы первого 4 выходного и первого 1 входного транзисторов связаны со второй 10 шиной источника питания, а коллекторы второго 2 входного и второго 5 выходного транзисторов связаны с первой 8 шиной источника питания. В качестве первой 7 и второй 9 цепей управления статическим режимом первого 1 и второго 2 входных транзисторов соответственно применяются инвертирующие усилители тока, причем в схему введены первый 13 и второй 14 дополнительные транзисторы разного типа проводимости, базы которых соединены со входом 3 устройства, коллектор первого 13 дополнительного транзистора соединен со входом второго 9 инвертирующего усилителя тока, эмиттер первого 13 дополнительного транзистора связан с первой 8 шиной источника питания через первый 15 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через первый 16 корректирующий конденсатор, коллектор второго 14 дополнительного транзистора соединен со входом первого 7 инвертирующего усилителя тока, эмиттер второго 14 дополнительного транзистора связан со второй 10 шиной источника питания через второй 17 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства 6 через второй 18 корректирующий конденсатор.
Рассмотрим работу заявляемого БУ фиг. 2. Статический режим схемы фиг. 2 устанавливается дополнительными токостабилизирующими двухполюсниками 15 и 17. При коэффициенте передачи по току Ki≈1 первого 7 и второго 9 инвертирующих усилителей тока статические эмиттерные токи первого 1 и второго 2 входных транзисторов будут определяться формулами
Figure 00000001
При малых входных импульсных сигналах все элементы схемы БУ работают в линейном режиме, и как следствие, БУ имеет максимально возможное быстродействие. В этом режиме переменная составляющая напряжений на первом 16 и втором 18 корректирующих конденсаторов будет близка к нулю. Так как приращение напряжений на эмиттере первого 13 дополнительного транзистора и выходе устройства 6 идентично. Поэтому эти конденсаторы не влияют на работу схемы в режиме малого сигнала.
При большом положительном импульсном входном сигнале (соизмеримом с напряжением питания) второй 2 входной транзистор запирается по цепи базы, и поэтому медленный заряд второй 12 паразитной емкости обеспечивается через второй 9 инвертирующий усилитель второго 2 входного транзистора. В этом режиме образуется большая разность напряжений между входом 3 и выходом 6 устройства, которые дифференцируются первым 16 корректирующим конденсатором. В результате через первый 16 корректирующий конденсатор формируется большой импульс тока, который передается через первый 13 дополнительный транзистор на вход второго 9 инвертирующего усилителя второго 2 входного транзистора, а затем в цепь базы первого 4 выходного транзистора. Как следствие скорость перезаряда второй 12 паразитной емкости существенно возрастает, что способствует быстрому увеличению напряжения на базе первого 4 выходного транзистора и, как следствие, выходного напряжения БУ.
По мере приближения уровня выходного напряжения uвых к уровню входного напряжения БУ uвых, приращение напряжения на первом 16 корректирующем конденсаторе, и следовательно, ток через первый 16 корректирующий конденсатор уменьшаются. В конечном итоге схема БУ входит в линейный режим - когда ток заряда второй 12 паразитной емкости уменьшается до уровня тока I]5 первого 15 дополнительного токостабилизирующего двухполюсник.
В таблице 1 приведены данные, рассчитанные по графикам фиг. 4, свидетельствующие об улучшение динамических параметров БУ фиг. 3.
Figure 00000002
Компьютерное моделирование (фиг. 4, таблица 1) показывает, что в сравнении с прототипом динамические параметры предлагаемого БУ существенно улучшаются. Так для переднего фронта время установления переходного процесса уменьшается более, чем в 800 раз, а скорость нарастания выходного напряжения также увеличивается более, чем в 800 раз. Выигрыш по динамическим параметров для заднего фронта несколько хуже, что связано с существенным отличием параметров, применяемых в схеме фиг. 3 pnp-транзисторов базового матричного кристалла АБМК_1.4 (ОАО «Интеграл», г. Минск). При использовании других идентичных npn- и pnp-транзисторов, например, нового АБМК_2.1 (ОАО «Интеграл», г. Минск) данный эффект в заявляемом устройстве не проявляется. Это связано с его высокой топологической симметрией.
Таким образом, заявляемое устройство обладает более высоким быстродействием в режиме большого сигнала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6.268.769 fig. 3
2. Патент США №6.420.933
3. Патент США №5.223.122
4. Патентная заявка США №2004/0196101
5. Патентная заявка США №2005/0264358 fig. 1
6. Патентная заявка США №2002/0175759
7. Патент США №5.049.653 fig. 8
8. Патент США №4.837.523
9. Патент США №5.179.355
10. Патент Японии JP 10.163.763
11. Патент Японии JP 10.270.954
12. Патент США №5.170.134 fig. 6
13. Патент США №4.540.950
14. Патент США №4.424.493
15. Патент Японии JP 6310950
16. Патент США №5.378.938
17. Патент США №4.827.223
18. Патент США №6.160.451
19. Патент США №4.639.685
20. А. св. СССР 1506512
21. Патент США №5.399.991
22. Патент США №6.542.032

Claims (1)

  1. Быстродействующий буферный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы разного типа проводимости, объединенные базы которых подключены ко входу устройства (3), первый (4) и второй (5) выходные транзисторы разного типа проводимости, объединенные эмиттеры которых соединены с выходом устройства (6), первая (7) цепь управления статическим режимом первого (1) входного транзистора, согласованная с первой (8) шиной источника питания, связанная с эмиттером первого (1) входного транзистора и базой второго (5) выходного транзистора, вторая (9) цепь управления статическим режимом второго (2) входного транзистора, согласованная со второй (10) шиной источника питания, связанная с эмиттером второго (2) входного транзистора и базой первого (4) выходного транзистора, первая (11) паразитная емкость, связанная с базой второго (5) выходного транзистора, вторая (12) паразитная емкость, связанная с базой первого (4) выходного транзистора, причем коллекторы первого (4) выходного и первого (1) входного транзисторов связаны со второй (10) шиной источника питания, а коллекторы второго (2) входного и второго (5) выходного транзисторов связаны с первой (8) шиной источника питания, отличающийся тем, что в качестве первой (7) и второй (9) цепей управления статическим режимом первого (1) и второго (2) входных транзисторов соответственно применяются инвертирующие усилители тока, причем в схему введены первый (13) и второй (14) дополнительные транзисторы разного типа проводимости, базы которых соединены со входом (3) устройства, коллектор первого (13) дополнительного транзистора соединен со входом второго (9) инвертирующего усилителя тока, эмиттер первого (13) дополнительного транзистора связан с первой (8) шиной источника питания через первый (15) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства (6) через первый (16) корректирующий конденсатор, коллектор второго (14) дополнительного транзистора соединен со входом первого (7) инвертирующего усилителя тока, эмиттер второго (14) дополнительного транзистора связан со второй (10) шиной источника питания через второй (17) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник и подключен к выходу устройства (6) через второй (18) корректирующий конденсатор.
RU2017139036A 2017-11-09 2017-11-09 Быстродействующий буферный усилитель RU2668985C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017139036A RU2668985C1 (ru) 2017-11-09 2017-11-09 Быстродействующий буферный усилитель

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017139036A RU2668985C1 (ru) 2017-11-09 2017-11-09 Быстродействующий буферный усилитель

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2668985C1 true RU2668985C1 (ru) 2018-10-05

Family

ID=63798407

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017139036A RU2668985C1 (ru) 2017-11-09 2017-11-09 Быстродействующий буферный усилитель

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2668985C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2790615C1 (ru) * 2022-12-08 2023-02-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Быстродействующий буферный усилитель с нелинейной коррекцией класса ав

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5179355A (en) * 1991-11-18 1993-01-12 Elantec Slew control in current feedback amplifiers
US5512859A (en) * 1994-11-16 1996-04-30 National Semiconductor Corporation Amplifier stage having compensation for NPN, PNP beta mismatch and improved slew rate
US6268769B1 (en) * 1997-12-09 2001-07-31 Murata Manufacturing Co., Ltd. Operational amplifier
US6542032B2 (en) * 2000-12-01 2003-04-01 Texas Instruments Incorporated Extremely linear, high speed, class AB rail to rail bipolar amplifier output stage with high output drive
RU2280318C1 (ru) * 2005-01-28 2006-07-20 ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) Операционный усилитель
RU2412537C1 (ru) * 2009-09-07 2011-02-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Дифференциальный операционный усилитель
RU2412535C1 (ru) * 2009-09-03 2011-02-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Дифференциальный операционный усилитель
RU2615066C1 (ru) * 2015-10-13 2017-04-03 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Операционный усилитель

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5179355A (en) * 1991-11-18 1993-01-12 Elantec Slew control in current feedback amplifiers
US5512859A (en) * 1994-11-16 1996-04-30 National Semiconductor Corporation Amplifier stage having compensation for NPN, PNP beta mismatch and improved slew rate
US6268769B1 (en) * 1997-12-09 2001-07-31 Murata Manufacturing Co., Ltd. Operational amplifier
US6542032B2 (en) * 2000-12-01 2003-04-01 Texas Instruments Incorporated Extremely linear, high speed, class AB rail to rail bipolar amplifier output stage with high output drive
RU2280318C1 (ru) * 2005-01-28 2006-07-20 ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) Операционный усилитель
RU2412535C1 (ru) * 2009-09-03 2011-02-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Дифференциальный операционный усилитель
RU2412537C1 (ru) * 2009-09-07 2011-02-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Дифференциальный операционный усилитель
RU2615066C1 (ru) * 2015-10-13 2017-04-03 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) Операционный усилитель

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2790615C1 (ru) * 2022-12-08 2023-02-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) Быстродействующий буферный усилитель с нелинейной коррекцией класса ав

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2419197C1 (ru) Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению
CN104702289A (zh) 逐次逼近型模数转换器及其比较器输入管的电容补偿电路
RU2668985C1 (ru) Быстродействующий буферный усилитель
RU2333593C1 (ru) Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы
RU2536672C1 (ru) Составной транзистор с малой выходной емкостью
RU2475942C1 (ru) Широкополосный дифференциальный усилитель
RU2674885C1 (ru) Быстродействующий буферный усилитель
RU2460206C1 (ru) Каскодный свч-усилитель с малым напряжением питания
RU2416155C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель
RU2615070C1 (ru) Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель
RU2673003C1 (ru) Буферный усилитель с дифференцирующей цепью коррекции переходного процесса
RU2307456C1 (ru) Выходной каскад быстродействующего операционного усилителя
RU2439780C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель
RU2432666C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания
RU2421888C1 (ru) Дифференциальный усилитель
RU2433523C1 (ru) Прецизионный дифференциальный операционный усилитель
RU2396698C1 (ru) Дифференциальный усилитель
RU2595926C1 (ru) Биполярно-полевой операционный усилитель
RU2589323C1 (ru) Биполярно-полевой операционный усилитель
RU2474954C1 (ru) Токовое зеркало
RU2568318C1 (ru) Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля
RU2374758C1 (ru) Комплементарный каскодный дифференциальный усилитель
RU2469465C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель
RU2320078C1 (ru) Комплементарный дифференциальный усилитель
RU2468502C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191110