СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДОВ С НЕЛИНЕЙНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ НА ОСНОВЕ КОММУТАТОРОВ

Прокопенко (11888111), 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 ui - Uf , пропорциональными входному дифференциальному сигналу ДК.

: -I

7-1 . -I

Вых

УИТ

-Я

(+) (-)

Рис. 1 Обобщенная функциональная схема ДК с нелинейной коррекцией SU-класса

К

НКЦ5(+)

к

НКЦ5(-

НКЦ4(+)

Io+io

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 SU-класса, приведен на рис.2. В качестве коммутаторов S1, S2 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

51 ,S2 используются классические повторители тока(рис.3). Дифференциальные коммутаторы S1 и S2 обеспечивают соединение узлов 9, 3, 10 в статическом режиме. Это реализуется определенным соотношением токов I01 и I0. Ток I01 выбирается из условия I01 > I0/2, при котором ключи S1 и S2 находятся в замкнутом состоянии. При положительном приращении входного напряжения в узле 1 относительно узла 2 ток через ключ S1 увеличивается и он начинает размыкаться. Ключ

52 остается в замкнутом состоянии. Когда ток через S1 достигнет значения I01 ключ S1 размыкается полностью^-0 ), что приводит к ограничению протекающего через него тока. Напряжения между узлами 9, 3,10 u93 и u910 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 S1 и S2

Рис.3 Варианты построения электронных коммутаторов

Управляющими координатами НКЦ SU-класса является одно из напряжений uij , 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 VT1, VT2. Источник тока I0 устанавливает статический режим. Коммутаторы S1 и S2 на элементах VD1, VT5, VD2, VT6 коммутируют эмиттерную цепь транзисторов БК в статическом режиме. Источники тока I01 > I0/2 обеспечивают замкнутое состояние S1 и S2 при отсутствии входного сигнала. Падение напряжения на резисторе R3 Есм задаёт начальное

смещение транзисторов НКЦ VT5, VT6. Активная нагрузка АН обеспечивает передачу приращения токов БК в нагрузку.

Рис. 5- Функциональная а) и принципиальная б) схемы квазилинейного ДК с НКЦ SU- класса

Проходная характеристика ДК(рис.5(б)), полученная с помощью системы схемотехнического моделирования Pspise 5.1 приведена на рис.6. Параметры элементов схемы имели следующие значения: 10=0,32мА, 101=0,2мА, Би=К2=100Ом(для характеристики рис.ба); Я1=50;100;150Ом, Есм=0,4В - для характеристики рис.6б. Рис.6а соответствует режиму малого сигнала, а рис.6б - режиму большого сигнала. Из рис.6 видно, что за счёт изменения Есм можно выбирать момент включения НКЦ и регулировать величину зоны нечувствительности на проходной характеристике, а резисторы R1, R2 определяют её наклон в режиме большого сигнала.

1н,мА. А

U 0,1 Unl 0,2 0,3 Un2 0,4 0,5 Un3 UBXjB

1 2 3 4 5 иИ3

Рис. 6- Проходная характеристика квазилинейного

ДК с НКЦ SU- класса

Граничные координаты проходной характеристики(рис.6) связаны с параметрами элементов схемы(рис. 5б) следующим образом:

tgy1~ (2I01 + I0) / 4фТ, tgy2 ~ 1/R1; игр ~ 2фт, Uпi ~ U0 - Есм;

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 5-1 0 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., 1 977.

5. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника.-М.:Энергоатомиздат, 1983.-216с.