ITTO20011147A1 - VOLTAGE TRACKER CIRCUIT AND VOLTAGE REGULATOR INCLUDING SUCH CIRCUIT. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Circuito inseguitore di tensione e regolatore di tensione comprendente un tale circuito" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Voltage follower and voltage regulator circuit comprising such a circuit"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un circuito inseguitore di tensione ed in particolare un circuito del tipo definito nel preambolo della rivendicazione 1, ed un regolatore di tensione comprendente un tale circuito. The present invention relates to a voltage follower circuit and in particular to a circuit of the type defined in the preamble of claim 1, and to a voltage regulator comprising such a circuit.
E' noto realizzare un circuito inseguitore di tensione ed amplificatore di corrente, ad esempio destinato ad essere impiegato come stadio di uscita di un regolatore di tensione, per mezzo di un semplice transistore di potenza che presenta un'elevata impedenza d'ingresso ed una bassa impedenza d'uscita ed è atto a fornire ad un carico operativamente collegato all'uscita un segnale di tensione correlato ad un segnale di tensione di riferimento ricevuto in ingresso. It is known to realize a voltage follower and current amplifier circuit, for example intended to be used as the output stage of a voltage regulator, by means of a simple power transistor which has a high input impedance and a low output impedance and is adapted to supply a voltage signal correlated to a reference voltage signal received at the input to a load that is operatively connected to the output.
Un esempio di regolatore di tensione con stadio inseguitore di tensione ed amplificatore di corrente secondo la tecnica nota è illustrato nella figura 1. An example of a voltage regulator with voltage follower stage and current amplifier according to the known art is shown in Figure 1.
Un segnale di tensione di ingresso Vin, ad esempio ricevuto da un circuito alimentatore, alimenta un ramo comprendente in serie un resistore ed un diodo zener, che costituiscono un semplice regolatore di tensione. La tensione regolata è stabilita ai capi del diodo zener ed indicata come segnale di tensione di riferimento Vref. An input voltage signal Vin, for example received by a power supply circuit, supplies a branch comprising in series a resistor and a zener diode, which constitute a simple voltage regulator. The regulated voltage is established across the zener diode and indicated as the reference voltage signal Vref.
Il segnale di tensione di riferimento è fornita ad un ingresso di controllo di un transistore bipolare n-p-n e da esso trasferito all'uscita del regolatore a meno della caduta di tensione tra base ed emettitore del transistore corrispondente alla tensione di polarizzazione diretta della giunzione a semiconduttore. Attraverso il percorso collettore-emettitore il transistore fornisce all'uscita la corrente richiesta dal carico prelevandola direttamente dal circuito alimentatore, mentre la corrente transitante attraverso il regolatore può essere mantenuta limitata per ridurre la caduta di tensione ai capi della resistenza del diodo. The reference voltage signal is supplied to a control input of an n-p-n bipolar transistor and transferred from it to the regulator output unless the voltage drop between the base and emitter of the transistor corresponding to the forward bias voltage of the semiconductor junction. Through the collector-emitter path, the transistor supplies the output with the current required by the load, taking it directly from the power supply circuit, while the current passing through the regulator can be kept limited to reduce the voltage drop across the diode resistance.
Questa configurazione determina una migliore approssimazione di una sorgente di tensione costante ideale attraverso l'utilizzo di un diodo zener rispetto a quella che si ottiene in assenza del circuito inseguitore di tensione, ma non ovvia all'inconveniente delle variazioni della tensione di uscita con la temperatura dovute alle variazioni della tensione di polarizzazione della giunzione. This configuration determines a better approximation of an ideal constant voltage source through the use of a zener diode than that obtained in the absence of the voltage follower circuit, but it does not obviate the drawback of variations in the output voltage with temperature. due to variations in the bias voltage of the junction.
A partire dalla topologia descritta sono stati realizzati circuiti regolatori ed inseguitori di tensione perfezionati incorporati in componenti integrati complessi e costosi. Starting from the described topology, improved voltage regulator and follower circuits have been realized incorporated in complex and expensive integrated components.
Scopo della presente invenzione è di fornire un circuito inseguitore di tensione a componenti discreti, di semplice realizzazione, che sia affidabile e poco costoso e sia vantaggiosamente atto ad essere accoppiato in uscita a diverse topologie di regolatori di tensione. The object of the present invention is to provide a voltage follower circuit with discrete components, of simple construction, which is reliable and inexpensive and is advantageously adapted to be coupled at the output to different topologies of voltage regulators.
A tale scopo forma oggetto dell'invenzione un circuito inseguitore di tensione avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1. For this purpose, the subject of the invention is a voltage follower circuit having the characteristics recalled in claim 1.
Modi particolari di realizzazione dell'invenzione sono definiti nelle rivendicazioni dipendenti. Particular embodiments of the invention are defined in the dependent claims.
Forma inoltre oggetto dell'invenzione un regolatore di tensione secondo la rivendicazione 16. The invention also relates to a voltage regulator according to claim 16.
Vantaggiosamente, nel circuito inseguitore di tensione secondo 1'invenzione uno stadio di potenza è realizzato per mezzo di un transistore bipolare p-n-p ed è pilotato da uno stadio di segnale a corrente ridotta, comprendente un transistore bipolare n-p-n di controllo disposto tra la base del transistore di potenza e l'uscita del circuito. Advantageously, in the voltage follower circuit according to the invention a power stage is made by means of a bipolar p-n-p transistor and is driven by a reduced current signal stage, comprising a bipolar n-p-n control transistor arranged between the base of the power and circuit output.
Il segnale di tensione di riferimento è trasferito all'uscita attraverso lo stadio di segnale, soggetto a due cadute di tensione di ugual valore e segno opposto, determinate dalla giunzione baseemettitore del transistore n-p-n di controllo e da una analoga giunzione a semiconduttore. The reference voltage signal is transferred to the output through the signal stage, subject to two voltage drops of equal value and opposite sign, determined by the base-emitter junction of the control n-p-n transistor and by a similar semiconductor junction.
Vantaggiosamente i componenti a semiconduttore disposti nella maglia di uscita sono realizzati su un medesimo circuito integrato o su circuiti prossimi per compensare le variazioni della caduta di tensione ai loro capi con la temperatura. Advantageously, the semiconductor components arranged in the output mesh are made on the same integrated circuit or on adjacent circuits to compensate for the variations in the voltage drop across them with the temperature.
Secondo la forma di realizzazione attualmente preferita, il circuito comprende inoltre mezzi commutatori interposti lungo un percorso di alimentazione per consentire la propria disabilitazione. Questa soluzione si rivela particolarmente vantaggiosa quando il circuito inseguitore di tensione è associato ad un regolatore di tensione disposto a bordo di un autoveicolo, poiché può essere disabilitato attraverso un semplice comando, come ad esempio l'estrazione della chiave di accensione, quando anche il regolatore di tensione viene disattivato, così da presentare un ridotto assorbimento di corrente in una condizione di stand-by. According to the currently preferred embodiment, the circuit further comprises switching means interposed along a power supply path to allow its own disabling. This solution is particularly advantageous when the voltage follower circuit is associated with a voltage regulator placed on board a vehicle, since it can be disabled through a simple command, such as for example the extraction of the ignition key, when the regulator is also voltage is deactivated, so as to present a reduced current consumption in a stand-by condition.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will be set out in more detail in the following detailed description given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la figura 1 mostra un circuito regolatore di tensione con stadio inseguitore di tensione secondo la tecnica nota, richiamato nella parte introduttiva di questa descrizione,-la figura 2a mostra un circuito inseguitore di tensione secondo l'invenzione; Figure 1 shows a voltage regulator circuit with voltage follower stage according to the known art, referred to in the introductory part of this description; Figure 2a shows a voltage follower circuit according to the invention;
la figura 2b mostra il circuito della figura 2a in cui è rappresentato in dettaglio un esempio di realizzazione dei mezzi commutatori; Figure 2b shows the circuit of Figure 2a in which an example of embodiment of the switching means is shown in detail;
la figura 3 mostra un perfezionamento del circuito di figura 2a comprendente mezzi per la limitazione della corrente erogabile; figure 3 shows an improvement of the circuit of figure 2a comprising means for limiting the deliverable current;
la figura 4 mostra una variante del circuito di figura 3; e Figure 4 shows a variant of the circuit of Figure 3; And
la figura 5 mostra una ulteriore variante del circuito di figura 3. Figure 5 shows a further variant of the circuit of Figure 3.
Un circuito inseguitore di tensione 10 secondo l'invenzione è mostrato schematicamente nella figura 2a. A voltage follower circuit 10 according to the invention is schematically shown in Figure 2a.
Un transistore bipolare di potenza Ql di tipo p-n-p è disposto lungo un ramo di alimentazione di corrente, il terminale di emettitore accoppiato ad un ingresso di alimentazione IN ed il terminale di collettore accoppiato all'uscita OUT del circuito. A bipolar power transistor Q1 of the p-n-p type is arranged along a current supply branch, the emitter terminal coupled to a supply input IN and the collector terminal coupled to the output OUT of the circuit.
Un transistore bipolare di controllo Q2 di tipo n-p-n è accoppiato alla base del transistore Ql attraverso il proprio collettore e presenta l'emettitore direttamente collegato all'uscita OUT del circuito . A bipolar control transistor Q2 of the n-p-n type is coupled to the base of the transistor Q1 through its collector and has the emitter directly connected to the output OUT of the circuit.
La base del transistore di controllo Q2 è accoppiata all'ingresso di alimentazione IN del circuito attraverso mezzi commutatori 20 simbolicamente indicati in figura 2a ed illustrati in maggior dettaglio nella figura 2b. The base of the control transistor Q2 is coupled to the power supply input IN of the circuit through switching means 20 symbolically indicated in Figure 2a and illustrated in greater detail in Figure 2b.
Un segnale di tensione di riferimento Vref ottenuto da un regolatore di tensione per sé noto, quale ad esempio una tensione ad un terminale intermedio di un circuito partitore, ai capi di un diodo zener o in uscita ad un amplificatore operazionale, od ancora una qualunque tensione a disposizione su una scheda circuitale, è fornito ad un ingresso di riferimento REF del circuito. A reference voltage signal Vref obtained from a voltage regulator known per se, such as a voltage at an intermediate terminal of a divider circuit, at the ends of a zener diode or at the output of an operational amplifier, or any other voltage available on a circuit board, it is supplied to a REF reference input of the circuit.
La base del transistore di controllo Q2 è collegata all'ingresso di riferimento REF attraverso un diodo D disposto in modo da creare un percorso di corrente dall'ingresso di alimentazione IN alla sorgente di tensione regolata accoppiabile al terminale REF. The base of the control transistor Q2 is connected to the reference input REF through a diode D arranged so as to create a current path from the supply input IN to the regulated voltage source which can be coupled to the REF terminal.
Il segnale di tensione di riferimento in ingresso al circuito inseguitore di tensione è trasferito sostanzialmente invariato (segnale Vout) all'uscita OUT attraverso la maglia di uscita 30, attraverso le cadute di tensione ai capi del diodo D e tra base ed emettitore del transistore di controllo Q2. The reference voltage signal at the input to the voltage follower circuit is transferred substantially unchanged (signal Vout) to the output OUT through the output mesh 30, through the voltage drops across the diode D and between the base and emitter of the transistor. Q2 control.
Poiché tali cadute di tensione corrispondono entrambe alla caduta di tensione ai capi di una giunzione a semiconduttore dello stesso tipo esse sono sostanzialmente di ugual valore, ma segno opposto . Since these voltage drops both correspond to the voltage drop across a semiconductor junction of the same type, they are substantially of the same value, but opposite sign.
Vantaggiosamente, il circuito 10 può essere selettivamente abilitato quando i mezzi commutatori sono comandati in conduzione, ad esempio attraverso una unità di controllo 40, in modo tale da stabilire un percorso di corrente prelevata dall'ingresso di alimentazione IN verso la base del transistore di controllo Q2 e portando questo in conduzione. In conseguenza della conduzione di Q2 anche il transistore di potenza Q1 conduce e permette di stabilire un percorso di corrente di alimentazione dall'ingresso IN all'uscita OUT del circuito 10, verso un carico esterno (non raffigurato). Advantageously, the circuit 10 can be selectively enabled when the switching means are driven into conduction, for example through a control unit 40, in such a way as to establish a path of current drawn from the power supply input IN towards the base of the control transistor Q2 and bringing this into conduction. As a consequence of the conduction of Q2 also the power transistor Q1 conducts and allows to establish a path of supply current from the input IN to the output OUT of the circuit 10, towards an external load (not shown).
Per mezzo del circuito inseguitore di tensione 10 sopra descritto un carico esterno ad esso collegato attraverso il terminale OUT riceve un segnale di tensione Vout sostanzialmente corrispondente alla tensione di riferimento regolata Vref e può assorbire la corrente richiesta per il proprio funzionamento. By means of the voltage follower circuit 10 described above, an external load connected to it through the OUT terminal receives a voltage signal Vout substantially corresponding to the regulated reference voltage Vref and can absorb the current required for its operation.
Vantaggiosamente, il transistore di controllo Q2 ed il diodo D disposti nella maglia di uscita sono realizzati su un medesimo circuito integrato o su circuiti prossimi tra loro in modo tale da troversi alla medesima temperatura operativa e compensare le variazioni della tensione di polarizzazione diretta delle giunzioni a semiconduttore con la temperatura . Advantageously, the control transistor Q2 and the diode D arranged in the output mesh are made on the same integrated circuit or on circuits close to each other in such a way that they are at the same operating temperature and compensate for the variations in the forward bias voltage of the junctions a semiconductor with temperature.
Nelle figure 3 a 5 sono illustrate varianti circuitali in cui sono raffigurati mezzi per limitare la corrente destinata a fluire attraverso il transistore di potenza Ql; elementi o componenti identici a quelli illustrati nella figura 2a sono stati indicati con gli stessi riferimenti alfanumerici. Figures 3 to 5 illustrate circuit variants in which means are shown for limiting the current destined to flow through the power transistor Q1; elements or components identical to those illustrated in Figure 2a have been indicated with the same alphanumeric references.
Secondo una prima soluzione, un resistore Ri è disposto in serie tra l'ingresso IN ed il terminale di emettitore del transistore di potenza Ql. According to a first solution, a resistor Ri is arranged in series between the input IN and the emitter terminal of the power transistor Q1.
Un secondo resistore R2 può essere vantaggiosamente disposto tra 1'ingresso IN ed un nodo di regolazione A cui è accoppiata la base del transistore Ql per stabilire un percorso di corrente diretto verso il transistore di controllo Q2 e limitare conseguentemente la corrente in base a Ql. A second resistor R2 can be advantageously arranged between the input IN and a regulation node A to which the base of the transistor Q1 is coupled to establish a current path directed towards the control transistor Q2 and consequently limit the current based on Q1.
Adottando quest'ultima soluzione, all'aumentare della corrente attraverso il percorso emettitore-collettore del transistore Ql aumenta progressivamente la caduta di tensione ai capi di Ri, e ciò si riflette in un aumento della tensione ai capi di R2 e della corrente circolante attraverso tale resistore, provocando la diminuzione della corrente di base di Ql e la progressiva riduzione dell'effetto di amplificazione di corrente di Ql stesso. By adopting the latter solution, as the current through the emitter-collector path of the transistor Ql increases, the voltage drop across Ri progressively increases, and this is reflected in an increase in the voltage across R2 and in the current flowing through this resistor, causing the decrease of the base current of Ql and the progressive reduction of the current amplification effect of Ql itself.
In questo modo è possibile, vantaggiosamente, impiegare un resistore serie Ri dimensionato per sopportare una potenza minore, e quindi di minor costo. In this way it is possible, advantageously, to use a series resistor Ri dimensioned to withstand a lower power, and therefore of lower cost.
Secondo un'altra variante mostrata nella figura 4, il resistore R2 può essere sostituito da un ulteriore transistore p-n-p di regolazione Q3 avente la giunzione emettitore-base disposta in parallelo al resistore Ri, predisposto per iniettare corrente attraverso il collettore al nodo di regolazione A, consentendo convenientemente l'utilizzo di un resistore serie RI di resistenza inferiore. According to another variant shown in Figure 4, the resistor R2 can be replaced by a further regulation p-n-p transistor Q3 having the emitter-base junction arranged in parallel to the resistor Ri, designed to inject current through the collector to the regulation node A, conveniently allowing the use of an RI series resistor of lower resistance.
Infine, in figura 5 è mostrato un circuito duale del circuito della figura 4, in cui il resistore serie Ri è disposto tra il terminale di collettore del transistore Q1 ed il terminale d'uscita OUT del circuito 10, ed il transistore di regolazione è ora un transistore n-p-n, indicato Q4, la cui giunzione base-emettitore è disposta in parallelo al resistore Ri ed il cui collettore è collegato ad un nodo di regolazione A' coincidente con la base del transistore di controllo Q2 e con l'anodo del diodo D. Finally, Figure 5 shows a dual circuit of the circuit of Figure 4, in which the series resistor Ri is arranged between the collector terminal of the transistor Q1 and the output terminal OUT of the circuit 10, and the regulation transistor is now an n-p-n transistor, indicated Q4, whose base-emitter junction is arranged in parallel to the resistor Ri and whose collector is connected to a regulation node A 'coinciding with the base of the control transistor Q2 and with the anode of the diode D .
Il funzionamento della presente variante del circuito è analogo (duale) a quello descritto con riferimento alla figura 4, con l'unica differenza che la limitazione della corrente attraverso il transistore Ql di potenza è ottenuta indirettamente agendo sul transistore di controllo Q2. Una elevata corrente attraverso Ql è rilevata da un aumento della tensione ai capi del resistore Ri che porta in conduzione il transistore Q4. Quest'ultimo assorbe corrente dal nodo di regolazione A' riducendo pertanto la corrente di base di Q2, il quale a sua volta provoca la diminuzione della corrente di base di Ql e la progressiva riduzione dell'effetto di amplificazione di corrente di Ql stesso. The operation of the present variant of the circuit is analogous (dual) to that described with reference to Figure 4, with the only difference that the limitation of the current through the power transistor Q1 is obtained indirectly by acting on the control transistor Q2. A high current through Q1 is detected by an increase in the voltage across the resistor Ri which leads the transistor Q4 into conduction. The latter absorbs current from the regulation node A 'thus reducing the base current of Q2, which in turn causes the decrease of the base current of Ql and the progressive reduction of the current amplification effect of Q1 itself.
Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potrà facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse, ad esempio duali, che non si discostano però dai principi qui esposti, e sono dunque ricomprese nell'ambito di protezione definito dalle rivendicazioni allegate. It should be noted that the embodiment proposed for the present invention in the preceding discussion has a purely illustrative and non-limiting character of the present invention. A person skilled in the art will be able to easily implement the present invention in different embodiments, for example dual ones, which however do not differ from the principles set forth herein, and are therefore included in the scope of protection defined by the attached claims.
Ciò vale anche per quanto riguarda la possibilità di sostituire il diodo D con un altro componente a semiconduttore suscettibile di determinare una caduta di tensione analoga ai propri capi, ad esempio un transistore in tecnologia bipolare avente il collettore in corto circuito con la propria base. Si tratta infatti di una soluzione equivalente, poiché tra la base del transistore di controllo Q2 ed il terminale di riferimento REF sarebbe disposta una giunzione a semiconduttore baseemettitore del transistore, la cui tensione di polarizzazione corrisponde alla tensione di polarizzazione della giunzione p-n di un diodo a semiconduttore. This also applies to the possibility of replacing the diode D with another semiconductor component capable of causing a similar voltage drop across its ends, for example a transistor in bipolar technology having the collector in short circuit with its base. It is in fact an equivalent solution, since between the base of the control transistor Q2 and the reference terminal REF there would be a semiconductor base-emitter junction of the transistor, whose bias voltage corresponds to the bias voltage of the p-n junction of a diode a semiconductor.
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