Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методы структурно-параметрического синтеза энергетически напряженных сложных функциональных блоков, систем на кристалле

Манжула В. Г.,

3.3 Выходные каскады универсальных ОУ

Известно большое число различных схемных решений для построения выходных каскадов ОУ [71-81]. Спецификой работы выходного каскада универсального ОУ является возможность управления как малыми, так и большими токами нагрузки. С целью повышения коэффициента использования ОУ по току потребления K_п, как правило, используются двухтактные выходные каскады. Для уменьшения нелинейных искажений силовые транзисторы в таких каскадах, как правило, работают в режиме АВ [78-80]. Основным параметром, уменьшающим коэффициент Кд, является сквозной ток выходных силовых транзисторов. Переключая его в зависимости от тока нагрузки можно получать коэффициент К_п близким к единице во всем диапазоне изменения тока нагрузки.

Рассмотрим наиболее распространенную структуру выходного каскада (рис.3.11.а). Она состоит из мощных элементов МЭ1, МЭ2 (VT1, VT2); устройства смещения УС (VD1.VD2); управляемого и неуправляемого источников тока I₀, I_y. Под сквозным током будем понимать величину,
определяемую выражением:

I_скв=min(I_МЭ1, I_МЭ2)

где I_МЭ1, I_МЭ2 - выходные токи элементов МЭ1 и МЭ2.

Проведенный анализ показывает, что значение сквозного тока при втекающем, вытекающем и нулевом токе нагрузки определяется выражениями:

, (3.27)

, (3.28)

. (3.29)

Максимальный вытекающий ток I_н.м связан со сквозным током I_с.о следующим соотношением:

. (3.30)

Из рассмотрения выражений (3-27), (3.28) очевидно, что при I_нR>>j_т транзистор VT1 или VT2 обесточивается. При этом задержки выхода из режима отсечки p-n-р и n-p-п транзисторов вызывает переходные искажения 2-го рода [113. В качестве мощных элементов часто используются составные транзисторы как однотипные (МЭ1), так и комплементарные (МЭ2) (рис.3.11.б). Паразитная емкость С1 добавляет низкочастотный полюс в передаточной характеристике ОУ при втекающем токе нагрузки. Это вызывает дополнительный фазовый сдвиг, что снижает запас устойчивости ОУ.

Выражение (3-30) показывает, что увеличение максимального тока нагрузки связано с необходимостью повышения тока I_с.о. Другим путем повышения этого параметра является повышение β₁, что при решении традиционным путем (применением составного транзистора) вызывает уменьшение максимального выходного напряжения.

Рассмотрим схемотехнический способ построения выходных каска­дов, основанный на работе мощных транзисторов в режиме супер-А, при котором они не входят в область отсечки. Функциональная схема, иллюстрирующая предлагаемый способ, представлена на рис. 3.12.

.

Она включает в себя неуправляемый и управляемый источники тока (ИТ, УИТ); узлы смещения (УС1, УС2); усилители (У1, У2); датчик тока (ДТ); мощные элементы (МЭ1, МЭ2). Данный способ позволяет избежать искажений выходного напряжения как 1-го, так и 2-го рода.

Режим смещения МЭ1 при втекающем токе нагрузки обеспечивается элементами УС1, У2, ИТ, У1; при вытекающем - смещение МЭ2 осуществляет элемент УС2. Равенство коэффициентов передачи по постоянному току для втекающего и вытекающего токов нагрузки обеспечивается элементом УИТ, ток на выходе которого пропорционален току нагруз­ки. Анализ показывает, что коэффициенты передачи по напряжению для вытекающего и втекающего токов нагрузки определяются соотношениями:

, (3.31)

, (3.32)

где К_у1.н, К_у1.и, R_вх.у1 - коэффициенты передачи тока со входа на неинвертирующий и инвертирующий выходы, входное сопротивление элемента У1; К_МЭ1 ;К_МЭ2, К_дт, К_уит, К_ус1 - коэффициенты передачи тока элементами МЭ1, МЭ2, ДТ, УМТ, УС1; К_у2.и - коэффициент передачи тока элементом У2 с инвертирующего входа.

Для получения одинакового коэффициента усиления по напряжению при втекающем и вытекающем токе нагрузки в широком диапазоне частот необходимо выполнение условия:

. (3.33)

Схемотехнический вариант реализации предложенного способа представлен на рис.3.13. Функциональным элементам схемы (рис.3.12) соответствуют следующие элементы принципиальной схемы: ИТ (I1); УИТ (VT6, VT7); ДТ (VT8, R3); МЭ1 (VT9. R2); УС1 (VT1,VT2); У2 (VT5); МЭ2 (VT13, R4); УС2 (VT10-VT12,13); У1 (VT3,VT4, R1, C1, I2).

Сквозной ток при втекающем, вытекающем и нулевом токе нагрузки определяются соотношениями:

, (3.34)

, (3.35)

. (3.36).

Из выражений (3-34), (3-35) очевидно, что для получения сквозного тока, независящего от втекающего тока нагрузки, необходимо выполнения условия:

I_н./β₁₃<<I_н . Сквозной ток при вытекающем токе нагрузки не зависит от I_н.

Коэффициент передачи по постоянному току элемента МЭ1, с использованием положительной обратной связи по цепи ДТ, УМТ, определяется выражением:

, (3.37)

где K_уит=I_S7/I_Sfi; К_ДТ=I_Н,В/I_К8=I_s9/I_s8 при условии: R₃/R₂=I_s9/I_s8.

Для получения равного коэффициента передачи по постоянному току при втекающем и вытекающем токах нагрузки коэффициенты К_уит и К_дт необходимо выбирать из следующего условия:

. (3.38)

Корректирующая цепь R1,С1 обеспечивает симметричные коэффициенты передачи при втекающем и вытекающем токах нагрузки в высокочастотной области. Максимальные токи нагрузки определяются соотношениями:

I_н.м.в = I₁К_мэ1, I_н.м.вт = (I₂ - I₁)β₅ β_13.

Таким образом, предлагаемый схемотехнический способ построения выходных каскадов ОУ позволяет работать силовым транзисторам одного типа проводимости в режиме супер-А без переходных искажений. При использовании в перестраиваемых ОУ данный способ допускает регулировку сквозного тока с целью получения максимального коэффициента К_п.

В данном способе используется параметрическая стабилизация сквозного тока и для его регулировки требуется варьирование двух источников тока. К тому же максимальный выходной ток имеет зависимость от сквозного тока.

На рис. 3-14 представлена функциональная схема, иллюстрирующая схемотехнический способ построения выходных каскадов с компенсационной стабилизацией сквозного тока. Как и в предыдущем способе в качестве мощных элементов используются только n-p-n транзисторы.

Схема функционирует таким образом, что сквозной ток стабилизируется за счет петель отрицательных обратных связей. Для элемента МЭ1 она включает: ДТ1, УУ, УИТ, МЭ1; для элемента МЭ2 - ДТ2, УУ, УИТ, МЭ2. Элементы ДТ1, ДТ2 вырабатывают сигналы, пропорциональные сквозному току. При отклонении его от опорной величины устройство управления (УУ) вырабатывает сигнал управления для УИТ, компенсирующий данное изменение.

Схемотехнический вариант реализации данного способа представлен на рис.3.15. Функциональной схеме (рис.3.14) соответствуют следующие элементы принципиальной схемы: МЭ1 (VT12. R2); МЭ2 (VT14, R4); ДТ1 (VT11. R1); ДТ2 (VT13. R3); УИТ (I1, VТ5, VT6); УУ (I0, I3, VТ3, VT4, VT7-VT10); У (VT1, VT2, I2).

Сквозные токи для втекающего и вытекающего токов нагрузки определяются соотношениями:

, (3.40)

при I_н>> I_c получаем I_c._в = I_c._вт = NI₀/2, а при I_н = 0 - I_c.₀ =NI₀. Максимальные вытекающий и втекающий токи нагрузки, при условии I₁ > I₂ , определяются выражениями:

I_н.м.в=I₂β₁₂, I_н._м.вт=I₂β₁₄. (3.41)

Нагрузочные характеристики для предложенного способа построения выходного каскада и типового способа изображены на рис.3.16 (сплошная линия и пунктир, соответственно).

.

.

Таким образом, предлагаемый схемотехнический способ позволяет стабилизировать сквозной ток выходного каскада при любом направлении тока нагрузки. Переключение сквозного тока, необходимое при реализации перестраиваемых ОУ, в данном способе осуществляется путем изменения величины одного задающего источника. Максимальный выходной ток не связан со сквозным, и определяется величиной одного опорного источника.