CC BY
24СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДОВ С НЕЛИНЕЙНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ НА ОСНОВЕ КОММУТАТОРОВ
ТОКА
Прокопенко Н.Н.(mail@sssu.ru), Никуличев Н.Н.(nik1974@mail.ru)
Южно-российский государственный университет экономики и сервиса
Благодаря ряду уникальных свойств дифференциальные каскады(ДК) находят широкое применение в различных функциональных узлах современной радиоэлектронной аппаратуры. С их использованием строится широкий класс аналоговых устройств - операционных усилителей, стабилизаторов напряжения и т.п. В микроэлектронике ДК стали одним из самых универсальных элементов линейных интегральных схем. Однако, дифференциальные каскады, построенные по классическим схемам, имеют сравнительно узкий диапазон активной работы (напряжение игр) [1], что приводит к возникновению нежелательных эффектов—их динамической перегрузке при входных сигналах большой амплитуды[2]. Применение нелинейной активной коррекции позволяет расширить диапазон активной работы ДК и улучшить на один-два порядка динамические параметры многих аналоговых устройств [2,5].
К дифференциальному каскаду (рис .1), содержащему базовый каскад А1, источник тока в общей эмиттерной цепи(УИТ) и активную нагрузку(АН), могут быть подключены нелинейные корректирующие цепи НКЦ1-НКЦ5, которые представляют собой транзисторные источники тока, управляемые напряжениями щ - щ , пропорциональными входному дифференциальному сигналу ДК.
-о +
АН1
; (+)
"Г
А1
+ ¡к(-) Вых
>к1 ^
НКЦ1
НКЦ2
♦
НКЦ3
УИТ
Кз^ух^1
(+) (-)
Рис. 1 Обобщенная функциональная схема ДК с нелинейной коррекцией БИ-класса
и
К
НКЦ5(+)
(+)
к
к
и
и
НКЦ,(-
НКЦ4(+)
и
т
и
и
f
и
и
2
О -
На ряду с классическим построением дифференциальных усилителей, при котором эмиттеры транзисторов ДК непосредственно соединены между собой[1,5], возможно такое их построение, при котором общая эмиттерная цепь является коммутируемой. Такая коммутация может обеспечиваться с помощью специальных дифференциальных ключей, которые размыкаются в зависимости от уровня входного дифференциального напряжения(от величины протекающего через них тока или напряжения на их выводах). Это позволяет в дополнение к [1] создать ряд ряд новых узлов в схеме ДК, к которым возможно подключение элементов НКЦ. Способ формирования управляющих напряжений для НКЦ, названной авторами нелинейной коррекцией БИ-класса, приведен на рис.2. В качестве коммутаторов Б1, Б2 могут применяться подсхемы, приведенные на рис. 3. Для минимизации влияния НКЦ на малосигнальные параметры базового ДК и согласования статических потенциалов, рекомендуется использовать эмиттерные повторители напряжения ПН1-ПН2.
Рассмотрим алгоритм работы ДК(рис.2), когда в качестве коммутаторов Б1,Б2 используются классические повторители тока(рис.З). Дифференциальные коммутаторы и Б2 обеспечивают соединение узлов 9, 3, 10 в статическом режиме. Это реализуется определенным соотношением токов 101 и 10. Ток 101 выбирается из условия 101 > 10/2, при котором ключи и Б2 находятся в замкнутом состоянии. При
положительном приращении входного напряжения в узле 1 относительно узла 2 ток через ключ Б1 увеличивается и он начинает размыкаться. Ключ Б2 остается в замкнутом состоянии. Когда ток через достигнет значения 101 ключ размыкается полностью(81="0"), что приводит к ограничению протекающего через него тока. Напряжения между узлами 9, 3,10 и9,3 и и9,10 начинают изменяеться пропорционально разности ивх1-ивх2 и управляют НКЦ, обеспечивающей форсирование переходных процессов в режиме большого сигнала.
Рис. 2- Способ формирования управляющих напряжений НКЦ в ДУ с электронными коммутаторами Б1 и Б2
Рис.3 Варианты построения электронных коммутаторов
Управляющими координатами НКЦ SU-класса является одно из напряжений Иу , пропорциональное ивх , формируемые в соответствии с рис.2,4, где цифрами обозначены узлы, к которым подключаются управляемые источники тока(НКЦ).
б
Рис. 4. Графы управляющих напряжений НКЦ в ДК с коммутаторами S1 и S2
Пример практической реализации ДК с НКЦ, рассматриваемого класса приведён на рис. 5. Базовый каскад(БК) выполнен на транзисторах УТ1, УТ2. Источник тока 10 устанавливает статический режим. Коммутаторы S1 и S2 на элементах У01, УТ5, У02, УТ6 коммутируют эмиттерную цепь транзисторов БК в статическом режиме. Источники тока 101 > 10/2 обеспечивают замкнутое состояние S1 и S2 при отсутствии входного сигнала. Падение напряжения на резисторе Я3 Есм задаёт начальное
смещение транзисторов НКЦ УТ5, УТб. Активная нагрузка АН обеспечивает передачу приращения токов БК в нагрузку.
а) б)
Рис. 5- Функциональная а) и принципиальная б) схемы квазилинейного ДК с НКЦ БИ- класса
Проходная характеристика ДК(рис.5(б)), полученная с помощью системы схемотехнического моделирования Pspise 5.1 приведена на рис.б. Параметры элементов схемы имели следующие значения: 10=0,32мА, 101=0,2мА, К1=К2=Ю0Ом(для характеристики рис.ба); К1=50;100;150Эм, Есм=0,4В - для характеристики рис.бб. Рис.ба соответствует режиму малого сигнала, а рис.бб — режиму большого сигнала. Из рис.б видно, что за счёт изменения Есм можно выбирать момент включения НКЦ и регулировать величину зоны нечувствительности на проходной характеристике, а резисторы Я1, Я2 определяют её наклон в режиме большого сигнала.
б)
Рис. 6- Проходная характеристика квазилинейного ДК с НКЦ SU- класса
Граничные координаты проходной характеристики(рис.б) связаны с параметрами элементов схемы(рис. 5б) следующим образом:
tgyi~ (2Ioi + Io) / 4фт, tgY2 ~ 1/R1; Urp ~ 2фт, Uni ~ Uo - Есм; i(+) H.max < Pvt3 I0 ,
где U0 ~ 0,65В, фт=25мВ- температурный потенциал, pVT3 - коэфициент усиления тока базы VT3, Есм- напряжение начального смещения НКЦ.
Таким образом применение НКЦ позволяет в 5-10 раз расширить диапазон активной работы ДК и значительно улучшить динамические параметры(в режиме большого сигнала) устройств на его основе.
Список литературы
1. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов / В.И. Анисимов, М.В. Капитонов, Н.Н. Прокопенко, Ю.М. Соколов. Л., 1979.
2. Прокопенко Н.Н. Основы структурного синтеза нелинейных корректирующих цепей усилительных каскадов./ М.,1992. Деп. в ВИНИТИ 01.02.92, № 76550.
3. Прокопенко Н.Н. Вопросы проектирования входных каскадов микроэлектронных операционных усилителей. Канд. Диссертация., Л., 1975.
4. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М., 1977.
5. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника.-М.:Энергоатомиздат, 1983.-216с.
