Статичні і динамічні характеристики високолінійних двотактних буферів напруги на біполярних транзисторах

Abstract

На сьогодні широко використовуються двотактні буферні пристрої напруги (БН) в різноманітних вимірювальних аналого-цифрових системах, в яких давач електричного сигналу (напруги) повинен підк-лючатися до перетворювальних пристроїв за допомогою схем, що мають високий вхідний опір (не ме-нше десятків і сотень мегаом), а також низький вихідний опір (не більше ~ 1,0 Ом) для забезпечення постійного значення коефіцієнта передачі у заданих діапазонах амплітуд і частот вхідного сигналу. В статті розглянуто запропоновані схеми високолінійних двотактних буферів напруги на біполярних транзисторах, у тому числі на складених транзисторах Шиклаї з високою швидкістю наростання вихідного сигналу. Запропоновано підхід до побудови БН, який базується на застосуванні відбивачів струму (ВС), які функціонують у двотактному балансному режимі, що забезпечить високу швидкодію у разі стрибкоподібної зміни вхідної напруги. Також досліджено такі малосигнальні статичні характеристики, як вхідний і вихідний опори БН, зсув нуля вхідного струму, а також похибку лінійності в діапазоні вхідної і вихідної напруг. Показано, що порівняно з відомими пристроями запропоновані рішення мають кращі показники. Проаналізовано динамічні характеристики запропонованих схем, такі які АЧХ, коефіцієнт нелінійних спотворень у діапазоні частот вихідного сигналу, а також перехідні характеристики. Доведено, що отримані показники перевищують аналогічні для схем, побудованих на базі операційних підсилювачів. Отримано кількісні значення статичних і динамічних характеристик запропонованих БН, які можуть слугувати, як рекомендації щодо вибору існуючих варіантів залежно від параметрів давачів вхідного сигналу та опору вихідного навантаження.

Push-pull voltage buffer devices (BD) are widely used in various measuring analog - digital systems, in which the electrical signal (voltage) sensor must be connected to the converter devices using circuits that have a high input impedance (at least tens and hundreds of mega), as well as low output impedance (no more than ~ 1.0 Ohm) to ensure a constant value of the transmission coefficient in the specified ranges of amplitudes and frequencies of the input signal. The article considered the proposed circuits of high-linear push-pull voltage buffers on bipolar transistors, including composite Shiklai transistors with a high slew rate of the output signal. An approach to the construction of a BD is proposed, based on the use of current reflectors, which operate in a push-pull balanced mode, which will provide high performance with a sudden change in the input voltage. We also investigated such small-signal static characteristics as the input and output resistance of the BD, the zero offset of the input current, as well as the linearity error in the range of input and output voltages. It is shown that in comparison with known devices, the proposed solutions have better performance. The dynamic characteristics of the proposed circuits, such as frequency response, nonlinear distortion coefficient in the frequency range of the output signal, as well as transient characteristics, are analyzed. It has been proved that the obtained indicators exceed those for circuits based on operational amplifiers. The quantitative values of the static and dynamic characteristics of the proposed BD are obtained, which can serve as recommendations for the selection of existing options depending on the parameters of the input signal sensors and the output load resistance.

На сегодня широко используются двухтактные буферные устройства напряжения (БН) в различных измери- тельных аналого-цифровых системах, в которых датчик электрического сигнала (напряжения) должен подклю- чаться к преобразовательным устройствам с помощью схем, имеющим высокое входное сопротивление (не менее десятков и сотен мегаом), а также низкое выходное сопротивление (не более ~ 1,0 Ом) для обеспечения постоянного значения коэффициента передачи в заданных диапазонах амплитуд и частот входного сигнала. В статье были рассмотрены предложенные схемы высоколинейных двухтактных буферов напряжения на бипо- лярных транзисторах в том числе на составных транзисторах Шиклаи с высокой скоростью нарастания вы- ходного сигнала. Предложен подход к построению БН, основанный на применении отражателей тока (ВС), ко- торые функционируют в двухтактном балансном режиме, что обеспечит высокое быстродействие при скачко- образном изменении входного напряжения. Также исследованы такие малосигнальные статические характери- стики, как входное и выходное сопротивление БН, смещение нуля входного тока, а также погрешность линей- ности в диапазоне входного и выходного напряжений. Показано, что по сравнению с известными устройствами предлагаемые решения имеют лучшие показатели. Проанализированы динамические характеристики предло- женных схем, такие как АЧХ, коэффициент нелинейных искажений в диапазоне частот выходного сигнала, а также переходные характеристики. Доказано, что полученные показатели превышают аналогичные для схем, построенных на базе операционных усилителей. Получены количественные значения статических и динамиче- ских характеристик предлагаемых БН, которые могут служить, как рекомендации по выбору существующих вариантов в зависимости от параметров датчиков входного сигнала и сопротивления выходной нагрузки.