ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ТОКОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК H03F3/04 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для получения на выходе сигнала, пропорционального линейной комбинации двух входных сигналов, логарифмирования, интегрирования полученного сигнала и других целей. При этом выходной сигнал представляется в виде генератора тока.

Известен дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением, который содержит три операционных усилителя (ОУ) и семь резисторов, причем, выход первого ОУ соединен через резистор R₁ с его инвертирующим входом, через резистор R₂ с инвертирующим входом третьего ОУ, который соединен через резистор R₆ с его выходом, инвертирующий вход первого ОУ соединен через резистор R₃ с инвертирующим входом второго ОУ, инвертирующий вход второго ОУ соединен через резистор R₄ с его выходом, выход второго ОУ соединен через резистор R₅ с неинвертирующим входом третьего ОУ, а неинвертирующий вход третьего ОУ соединен через резистор R₇ с земляной шиной.

Недостатками этого усилителя являются узкая область использования, малый динамический диапазон сигналов и импедансов нагрузок, в котором может работать этот дифференциальный усилитель, сложность настройки.

Известен также инструментальный усилитель на двух ОУ, который содержит первый и второй ОУ, четыре резистора, при этом инвертирующий вход первого ОУ через резистор R₁ соединен с земляной шиной и через резистор R₂ соединен с его выходом, который через резистор R₃ соединен с инвертирующим входом второго ОУ, а инвертирующий вход второго ОУ соединен через резистор R₄ с его выходом, при этом первый входной сигнал в виде электрического напряжения V(t) подается на неинвертирующий вход первого ОУ, а второй V(t) на неинвертирующий вход второго ОУ. Выходной сигнал, пропорциональный разности выходных, снимается с выхода второго ОУ.

Недостатком этого устройства является узкая область использования, малый динамический диапазон сигналов и импедансов нагрузок, в которых может работать этот инструментальный усилитель, сложность настройки, а также то, что выходной сигнал представляется в виде генератора напряжения, а не генератора тока.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона выходных напряжений и нагрузок, с которыми может работать устройство.

Это достигается тем, что дифференциальное токовое устройство, содержащее первый и второй токовые усилители, выполненные каждый на дифференциальном каскаде, и состоящем из транзистора, резистора обратной связи и источника питания транзисторного каскада, выходном транзисторном каскаде, при этом эмиттер транзистора соединен с инвертирующим входом дифференциального каскада и первым выводом резистора обратной связи, второй вывод которого соединен с земляной шиной, выход дифференциального каскада соединен с базой транзистора транзисторного каскада, содержащего нагрузку, первый вывод которой подключен к земляной шине, входами дифференциального токового устройства являются неинвертирующие входы дифференциальных каскадов, отличается тем, что первый соответствующий полюс источника питания транзисторного каскада соединен с коллектором транзистора, второй его полюс соединен с выходом устройства, второй конец нагрузки соединен с выходом устройства.

По крайней мере в один выходной транзисторный каскад введен дополнительный транзистор другой структуры, образующий двухтактный транзисторный каскад, при этом эмиттер дополнительного транзистора соединен с эмиттером основного, база дополнительного транзистора соединена с базой основного, а коллектор дополнительного транзистора соединен с первым соответствующим полюсом соответствующего источника питания транзисторного каскада. Выходы дифференциальных каскадов соединены с базами транзисторов транзисторных каскадов через введенные защитные диоды. Выходы дифференциальных каскадов соединены с базами транзисторов выходных транзисторов через введенные повторители напряжения. Средняя точка источника питания выходных транзисторных каскадов образована средней точкой делителя напряжения, включенного параллельно этому источнику питания.

На фиг. 1 - 4 изображено предлагаемое устройство, где 1, 2 - дифференциальные каскады соответственно первого и второго токовых усилителей, 3, 4 - транзисторы транзисторных каскадов токовых усилителей, которые могут быть одного или разных типов, 5, 6 - резисторы обратной связи транзисторных каскадов, 7, 8 - источники питания транзисторных каскадов, 9 - инвертирующие усилители, через которые могут подаваться на входы дифференциального токового устройства сигналы V₁(t) и V₂(t), 10, 11 - клеммы, к которым подключается нагрузка 14, 12, 13 - защитные диоды, 15, 16 - развязывающие диоды, 17 - защитный диод, 18, 19 - резисторы, которые образуют среднюю точку 10 источника питания транзисторных каскадов.

Дифференциальное токовое устройство содержит первый и второй токовые усилители, выполненные каждый на диффеpенциальных каскадах 1, 2, состоящих из транзисторов 3, 4, резисторов обратной связи 5, 6 и источников питания транзисторных каскадов 7, 8, выходных транзисторных каскадов, при этом эмиттер транзистора соединен с инвертирующим входом дифференциального каскада и первым выводом резистора обратной связи, второй вывод которого соединен с земляной шиной, выход дифференциального каскада соединен с базой транзистора транзисторного каскада, содержащего нагрузку, первый вывод которой подключен к земляной шине, входами дифференциального токового устройства являются неинвертирующие входы дифференциального каскада. Первый соответствующий полюс источника питания транзисторного каскада 7 или 8 соединен с коллектором транзистора 3 или 4, второй его полюс соединен с выходом устройства 10, второй конец нагрузки 14 соединен с выходом устройства.

Дифференциальное токовое устройство работает следующим образом.

На неинвертирующие входы дифференциальных каскадов 1 и 2 подаются соответственно сигналы V₁(t) V₂(t). За положительное направление тока, протекающего через нагрузку I_н(t), примем направление от клеммы 11 к клемме 10. Oбозначим R₁, R₂ соответственно значения резисторов 5, 6 в омах. Тогда, если входные напряжения V₁, V₂ заданы в вольтах, протекающих по нагрузке ток I_н в амперах будет определяться из следующих равенств: I_н(t) = C₁*V₁(t) + C₂*V₂(t) (1) C₁ = C₀*1/R₁ (2) C₂ = C₀*1/R₂ (3)
C₁ = 0, если V₁ < 0 и C₂ = 0, если V₂ < 0 (для транзисторов n-p-n-типа) (4)
С₁ = 0, если V₁ > 0 и C₂ = 0, если V₂ > 0 (для транзисторов p-n-p-типа) (5)
С₀ = 1 (для транзисторов n-p-n-типа) (6)
C₀ = -1 (для транзисторов p-n-p-типа) (7) Из равенств 1 - 7 видно, что ток, протекающий по нагрузке, есть линейная комбинация напряжений, поданных на входы (см. равенство 1). Кроме этого, в зависимости от типа транзистора (см. равенства 4 и 5), устройство реагирует только на отрицательную или только положительную составляющие сигнала по соответствующему входу ("эффект выпрямления"). Добавление в соответствующий каскад транзистора противоположного типа устраняет этот эффект по входу соответствующего каскада. Кроме этого, составляющая сигнала, на которую реагирует устройство (С₁ и/или С₂ = 0), при заданных транзисторах легко можно поменять, подавая сигнал на вход через инвертирующий усилитель. Устройства по всем пунктам формулы изобретения работают аналогично.

Таким образом благодаря тому, что при работе выполняются равенства 1 - 7, а также тому, что используются отдельные источники питания транзисторных каскадов 7, 8, которые не совпадают с источниками питания дифференциального каскада и по нагрузке, которая заземлена и вместо нее могут использоваться различные элементы, например емкость, диод, протекает ток, то полученное устройство имеет широкую область использования, широкий динамический диапазон напряжений, под которыми может находиться нагрузка, и величин нагрузок, с которыми может работать устройство. (56) У. Гитце и К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М. : Мир, 1983, с. 175, рис. 12.16.

Изобретение может использоваться для обработки аналоговых сигналов, причем результатом является ток, протекающий в нагрузке, пропорциональный сумме или разности двух или более сигналов. На его основе можно строить различные устройства обработки сигналов: дифференциальные, суммирующие усилители, измерители температуры, логарифматоры суммы или разности сигналов и др. Устройство содержит первый и второй токовые усилители, выполненные каждый на дифференциальном и выходном транзисторном каскаде, а нагрузка включена между средней точкой источника питания выходного транзисторного каскада и земляной шиной. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ТОКОВОЕ УСТРОЙСТВО , содеpжащее пеpвый и втоpой токовые усилители, выполненные каждый на последовательно соединенных диффеpенциальном каскаде и выходном тpанзистоpном каскаде, выполненном на тpанзистоpе и pезистоpе обpатной связи, эмиттеp тpанзистоpа соединен с инвеpтиpующим входом диффеpенциального каскада и пеpвым выводом pезистоpа обpатной связи, неинвеpтиpующие входы диффеpенциальных каскадов пеpвого и втоpого токовых усилителей являются соответствующими входами диффеpенциального токового устpойства, а также источник питания выходных тpанзистоpных каскадов, имеющий сpеднюю точку, и нагpузку, пеpвый вывод котоpой подключен к земляной шине, отличающееся тем, что, с целью pасшиpения динамического диапазона, коллектоpы тpанзистоpов выходных тpанзистоpных каскадов подключены к соответствующему выводу источника питания выходных тpанзистоpных каскадов, сpедняя точка котоpого подключена к втоpому выводу нагpузки, а втоpые выводы pезистоpов обpатной связи соединены с земляной шиной. 2. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что по кpайней меpе в один выходной тpанзистоpный каскад введен дополнительный тpанзистоp дpугой стpуктуpы, обpазующий двухтактный тpанзистоpный каскад, пpи этом база и эмиттеp тpанзистоpа выходного тpанзистоpного каскада соединены соответственно с базой и эмиттеpом дополнительного тpанзистоpа, коллектоp котоpого соединен с соответствующим выводом источника питания выходного тpанзистоpного каскада. 3. Устpойство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что выходы диффеpенциальных каскадов соединены с базами тpанзистоpов выходных тpанзистоpных каскадов чеpез введенные защитные диоды. 4. Устpойство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что выходы диффеpенциальных каскадов соединены с базами тpанзистоpов выходных тpанзистоpных каскадов чеpез введенные повтоpители напpяжения. 5. Устpойство по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что сpедняя точка источника питания выходных тpанзистоpных каскадов обpазована сpедней точкой делителя напpяжения, включенного паpаллельно этому источнику питания.