Структурный синтез универсальных перестраиваемых операционных усилителей для сложных функциональных блоков Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382.8

СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ УНИВЕРСАЛЬНЫХ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ СЛОЖНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

БЛОКОВ

© 2008 г. В.Г. Манжула, С.А. Морозов

Во всех областях автоматического управления, контроля, измерительной техники, связи, в бытовой электро- и радиоаппаратуре находят применение усилители мощности [1]. Существующие в настоящее время интегральные усилители мощности отличаются большим разнообразием схемных и конструктивных решений, напряжений питания и токов нагрузки, в то же время они имеют крайне узкие функциональные возможности. Как правило, они не защищены от аварий в цепи нагрузки, питании, входных цепей и, как следствие, имеют ограниченную надежность [2].

Развитие аналоговой микросхемотехники выдвигает проблему создания универсальных интегральных операционных усилителей (ОУ) функционально интегрирующих в себе мощный и маломощный ОУ. Например, во многих изделиях, питаемых от аккумуляторных батарей (портативные компьютеры, автомобильная электроника и т.д.), усилители мощности с полной нагрузкой работают не постоянно. В этом случае повысить экономичность устройства в целом может усилитель, имеющий взаимосвязь между током нагрузки и током потребления.

Современные универсальные ОУ, как правило, строятся по двухкаскадной структуре, позволяющей наиболее просто осуществить коррекцию ЛАЧХ и получить заданные эксплуатационные характеристики [3]. Первым каскадом (входным) обеспечиваются параметры ОУ со стороны входных клемм, вторым (выходным) - со стороны выходных клемм. Питание осуществляется от двухполярного источника.

Наряду с усилительными элементами, ОУ обычно включают в себя узлы, обеспечивающие режим по постоянному току микросхемы, а также узлы, выполняющие различные защитные и другие специальные функции (например, ограничение уровней сигналов, предотвращение режимов насыщения и отсечки элементов, работающих в активном режиме и т.д.).

Критерием схемотехнического совершенства современных изделий электронной техники является функциональная полнота, завершенность устройства в целом. В соответствии с этим предлагается обобщенная схема перестраиваемых универсальных ОУ, функционально интегрирующая в себе мощный и маломощный ОУ и позволяющая реализовать все эксплуатационные и защитные функции (рис. 1).

U„

ubx2 о-

2

ПТ

Ог2 ПН2 ДУ1

UOI

Ог3

ИТ1

УЗСР

И1 п

1

УБ

Т3

И2

ПР

Uon1

U™

i/o,

i/o,

ПН3

АН1

ИТ2

UoI

Ог4

ТИЗ1 УИТ1

1

ЗПВ2 ЗПВ1

ДУ2

УС

Ог5

Uoi

3 —о

Ц,-

5

—о

Uh

4 —о

Ц-

Рис. 1. Обобщенная структурная схема универсального ОУ

ПН 1

Схема включает в себя: ограничители напряжения ОГ1-ОГ5; повторители напряжения ПН1-ПН3; повторитель тока ПТ; источники тока ИТ1-ИТ3; дифференциальные усилители ДУ1, ДУ2; активные нагрузки дифференциальных усилителей АН1, АН2; узел смещения УС; узел сдвига уровня УСУ; мощные транзисторы МТ1, МТ2; управляемые источники тока УИТ1, УИТ2; узлы тепловой импульсной защиты ТИ31, ТИ32; узлы защиты от превышения выходного напряжения ЗПВ1, ЗПВ2; узел слежения за синфазным напряжением УСС; узел задания статического режима УЗСР, включающий в себя узлы тепловой защиты ТЗ и защиты от перенапряжения ЗП, узел блокировки УБ, узел запуска УЗ, переключатель режимов ПР, источники напряжения Иоп1 , Иоп2. Микросхема имеет минимальное число (пять) выводов для подключения: входных напряжений - 1, 2; напряжений питания - 3, 4; нагрузки - 5.

Схема (см. рис. 1) работает следующим образом. Входной сигнал подается на выводы 1 и 2, далее через элементы ОГ1 и ОГ2, ПН1 и ПН2 поступает на входы ДУ1, где он преобразуется из дифференциального в несимметричный. Усиленный сигнал снимается с элемента АН1 и через ПНЗ подается на вход ДУ2, на другой вход которого подается напряжение смещения от элемента УС. Усиленный в ДУ2 сигнал снимается с АН2 и подается в противофазе на МТ2 и через элемент УСУ на МТ1. Сигналы, усиленные в элементах МТ1 и МТ2, поступают в нагрузку (путь прохождения сигнала показан на рис. 1 стрелками).

Элементы ОГ1 и ОГ2 необходимы для ограничения входного сигнала на уровне не ниже потенциала U". Элемент ИТ1 служит для питания элементов ПН1 и ПН2, а посредством ПТ питает ДУ1. Режим динамической перегрузки ДУ1 предотвращают ПН1 и ПН2. В случае увеличения входного сигнала выше допустимого уровня сигналы управления от ДУ1 поступают в цепи питания ПН1 и ПН2, уменьшая их коэффициент передачи и, таким образом, предотвращая перегрузку ДУ1 по входу. Элемент УСС позволяет элементам узла ДУ1 работать при неизменном напряжении питания, уменьшая коэффициент передачи синфазного сигнала. Элемент ОГ3 предназначен для двустороннего ограничения размаха напряжения на АН1 с целью исключения его насыщения. Элемент ОГ4 ограничивает уровень напряжения на входе ДУ2, предотвращая режим динамической перегрузки. Комплексную защиту от перегрузки МТ1 и МТ2 по току, температуре и мощности осуществляют ТИЗ1 и ТИЗ2 соответственно. Датчики температуры этих элементов расположены внутри мощных транзисторов. Для повышения эквивалентного коэффициента передачи по постоянному току МТ 1 и МТ2 служат элементы УИТ1 и УИТ2 соответственно. Ток на выходе этих элементов пропорционален току на входе мощных транзисторов. Исключение переходных искажений достигается использованием элементов УСУ и ОГ5, которые предотвращают нахождение элементов МТ1 и МТ2 в режиме отсечки тока.

Элементы ИоП1 и Иоп2 служат для получения стабилизированных напряжении Uоп\ и UоП2 соответственно, необходимых для задания статического режима. Элемент ПР осуществляет переключение режимов потребления тока МОУ в зависимости от тока нагрузки. При перегреве микросхемы срабатывает элемент ТЗ, который посредством УВ снижает величину напряжения Поп\ до нуля и прекращает дальнейшее функционирование МОУ. Аналогично микросхема отключается и при срабатывании элемента ЗП, запрещающего работу МОУ при превышении напряжения питания микросхемы предельной величины. Элементы ЗПВ1 и ЗПВ2 ограничивают величину максимального напряжения на выходе на уровне, не превышающем напряжение питания положительной и отрицательной полярности. При этом блокируется протекание тока через МТ2 и МТ 1 соответственно.

Таким образом, предлагаемая обобщенная структурная схема универсального ОУ позволяет реализовать устройство, отличающееся низким токопотреб-лением, высокой надежностью и эксплуатационными параметрами. Большой набор функциональных узлов в данной схеме обусловлен широким спектром реализуемых функций и совершенно не обязательно сопровождается элементной избыточностью, поскольку на этапе схемотехнического проектирования могут широко использоваться методы схемотехнической интеграции функциональных узлов. В случае снижения числа функций у проектируемого устройства отдельные элементы структурной схемы могут быть исключены.

В предлагаемой схеме (см. рис. 1) за счет использования ключевых элементов в ПР реализован режим переключения статического режима ОУ в зависимости от уровня тока нагрузки IН . При этом чем меньше ток нагрузки IН , тем меньше ток IП , потребляемый соответственно элементами ОУ (IП = IИСТ -1Н , где IИСТ - ток источника питания). При использовании N переключений зависимость IП = f (IН) имеет вид, представленный на рис. 2 б.

Введем в рассмотрение важный энергетический параметр универсальных ОУ - коэффициент использования по току потребления K П = IН /1ИСТ . При использовании режима переключения удается поддерживать коэффициент K П близким к единице в диапазоне как больших, так и малых токов нагрузки. Это особенно важно в тех случаях, когда большой ток нагрузки имеет кратковременный характер. При малых токах нагрузки и отсутствии режима переключения коэффициент KП может быть очень мал (KП = 0,1 - 0,01).

Схема, представленная на рис. 2 а, реализует зависимость IП = f (IН) (рис. 2 б). Она включает в себя датчики вытекающего и втекающего токов нагрузки ДТ1 и ДТ2; распределитель токов РТ; переключаемый источник тока ПИТ; N переключателей (П), каждый из которых состоит из устройства сравнения УС, источника опорного тока ИОТ, пикового детектора ПД, формирователя гистерезиса ФГ и ключа Кл.

п и

I пМ — 1

/*п2

А,

н1 ¡-нИ

___J

б

1*п,+1

А

Рис. 2. Структурная схема переключателя режимов

Вытекающий или втекающий через шины питания ОУ ток нагрузки IН регистрируется элементами ДТ1 или ДТ2, токи на выходе которых пропорциональны току нагрузки. Распределитель токов суммирует токи I д1 , I д2 и подает результирующий ток на каждый из

элементов П 1 причем величина тока на выходе РТ равна ^ = I д1 +1 д2 . При превышении входным сигналом I -го порога (I 1), различного для каждого эле-

мента П 1, происходит переключение элемента ПИТ из одного устойчивого состояния в другое. Величина тока I ш на выходе ПИТ при его переключении определяет зависимость I Пг- = f (IН).

Каждый из элементов П 1 работает следующим образом. Элемент УС сравнивает входной сигнал I 1 с опорным IОПI, в случае его превышения на выходе УС появляется сигнал высокого уровня, подаваемый

а

в

через ПД на ключ. Для исключения колебательности в момент переключения служит ФГ, образующий гистерезисную характеристику передачи (см. рис. 2 в). На этой характеристике значение I Нг- соответствует току нагрузки, при котором ОУ переходит из режима с низким токопотреблением I Пг-. к режиму с более высоким значением тока IПг+1. Значение IН, соответствует обратному переключению. Для исключения искажений в момент перехода выходного тока через нулевое значение служит элемент ПД, задерживающий переключение П ^ на время 13, достаточное для преодоления током нагрузки интервала

¿I н = IН, -1Н, .

Схемотехническая реализация структурной схемы ПР (см. рис. 2 а) для двуступенчатого режима переключений, представлена на рис. 3. Данная схема состоит из датчиков тока (ДТ1, ДТ2) УТ18, R7 и УТ20, R8; распределителя токов (РТ) УТ15, УТ16, ограничителя (ог) УТ17; пикового детектора (ПД) УТ12, С1; ключа (Кл) УТ9-УТ11, R4; источника опорных токов и напряжений (ИОТ) УТ3-УТ8, УТ13, УТ14; цепи запуска (ЦЗ) УТ1, УТ2, R1. В разработанной схеме пиковый детектор схемотехнически интегрирован с устройством сравнения и формирователем гистерезиса. Источник опорных токов и напряжения является общим для всего переключателя режимов и в случае многозонной характеристики переключения (см. рис. 2 б) может быть использован для задания статических режимов оставшихся элементов.

Максимальный потенциал базы транзистора УТ12 ограничен напряжением пробоя обратносмещенного эмиттерного перехода транзистора УТ17 (и ог). Заряд емкости С1 вызывает рост потенциала базы транзистора УТ11. Когда потенциалы баз транзисторов УТ10 и УТ11 сравниваются, открывается транзистор УТ9, и происходит переключение элемента ПИТ (см. рис. 2 а) сигналом и 1 из одного устойчивого состояния в другое.

Обратное переключение происходит, когда ток IК14 становится меньше тока !К15, на величину тока !К13. Тем самым формируется гистерезисная характеристика передачи IП = f (IН)(см. рис. 2 б). Транзистор УТ12 закрывается, конденсатор С1 разряжается током коллектора транзистора УТ13. Время задержки переключения определяется выражениями:

1 з = С^ 0г - и бэ12 - и бэ5 - R 2! 0)/! к13 , 10 =ф т / 5 / $ 6), ^13 =ф т / «5 1п($ 6/ $ 5),

^13 =Ф т/R5ln(10$ 5 / ^^ 13Х

где и бэг-, $ - напряжение и площадь перехода база-эмиттер 1-го транзистора. Для получения температур-но независимой величины задержки времени 1З ток 10 выбирается с заданным положительным температурным дрейфом.

Значения токов переключения IН1 и IН определяются соотношениями:

для вытекающего тока нагрузки

! У к19 = 7 к19($ 19 / $ !8)еХР(/ к14« 7/ Ф т ),

для втекающего тока нагрузки

!HlIк21 = !к20($21 / $20)еХР(/к14«7 /Ф т) , IнТ1 = ! 1 - !к13 , !к14 = ф т /«6 ^0$5 / ^13$ 14) .

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение позволяет реализовать переключатель режимов для двуступенчатого регулирования тока потребления универсального ОУ, обладает минимальной задержкой включения и температурно независимым временем выключения.

VT2

Рис. 3. Схема двухступенчатого ПР 18

R1

VT 4

Ч| \л/ \j/

VT 2

"Ж

К

VT 3

VT 6

/И

R4

VT 8

-о

Пп

К

-о U,

К

VT 7

-с Ucm 1

VT 5

VT 10

-о -о

R*2

VT 1

N

VT 9

>4

-О Ucm

R2

R3

I

VT 11

л"1

I

N

"О Ucm

VT 12

Рис. 4. Схема многоканального переключаемого ИТ

Рассмотрим методы построения многоканальных ПИТ, для использования их в узлах задания статического режима универсального ОУ. К таким ПИТ предъявляются следующие требования:

- возможность переключения выходных токов одновременно во всех каналах;

- возможность получения выходных токов как с положительным, так и с отрицательным температурным коэффициентом;

- часть выходных токов должна быть втекающими, а часть вытекающими;

- возможность увеличения числа выходных токов.

Схема многоканального ПИТ (рис. 4) наиболее

полно выполняет все перечисленные требования. Она состоит из цепи запуска R1, УТ1, УТ2; формирователя опорных токов R2, R3, 1^75, УТ6, 1^79-^12; токового зеркала R4, УТ3, VT4, VT7, VT8.

Опорный ток I оп многоканального ПИТ и выходные токи 11, 12, 13, 14 определяются следую-

площади коллекторных и эмиттерных переходов 1-х транзисторов. Из соотношений (1) - (3) видно, что токи 13, 14 имеют отрицательный температурный коэффициент, ток 12 - положительный температурный коэффициент. Анализ показывает, что для получения положительного температурного дрейфа тока 11 необходимо выполнение следующего условия:

2 R4N51 оп (Tq )q < (T kTn м

■J Tq)2 .

щими соотношениями:

I оn(T) =

Rn

(

T

\

AE(0)—(A£(0) -AUэб11 (To))

T

11 (T) = (T / T)5 NjI оп (Tq ) exp

R 2 N 51 оп^ o)q

kT

12(T) = T( 2 — -Lln(N2)

q R3

(1)

(2)

(3)

13 = N 31 оп^),

14 = N 41 on(T ),

где 5 = 2 S

R 4N 5I оn(To)i (T / T ) 2 - J

N 2 =

э9

2 ^ ' 3 ^ 'N 4 ^ 'N 5 ^ S э11 S э4 S э12 S 1к4

kT q

S э

N! =■

1к4

, N 4 = N 5 = ^

S„,-, -

где Тмакс - максимальная рабочая температура ОУ.

Наращивание количества выходных токов такого ПИТ осуществляется путем подключения дополнительных транзисторов к потенциалам и см1 - и см4 . Переключение режима данного ПИТ осуществля-

г> *

ется коммутацией дополнительных резисторов R 2, шунтирующих основной токозадающий резистор R 2. К выводу и 1 подключается выход устройства переключения режимов (см. рис. 3).

Таким образом, предлагаемая обобщенная структурная схема перестраиваемого мощного ОУ, способы построения переключателя режимов и переключаемого источника тока позволяют синтезировать универсальный ОУ, обладающий улучшенными энергетическими характеристиками.

Литература

1. Турута Е.Ф. Усилители мощности низкой частоты -интегральные микросхемы: Справочник. М., 2005.

2. Остапенко Г.С. Аналоговые полупроводниковые интегральные микросхемы. М., 1981.

3. Перебаскин А.В., Бахметьев А.А., Колосов С.О. и др. Операционные усилители. Т. 1: Справочник. М., 1993.

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, г. Шахты

11 февраля 2008 г.

2

o