МНОГОКАСКАДНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК H03F3/34 H03F3/42 H03F1/30 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для построения усилителей на транзисторах, не искажающих усиливаемый сигнал. По установившейся терминологии такие усилители, выполненные на электровакуумных радиолампах и трансформаторах, называют High-end (хай-энд: "так хороши, что дальше некуда"). Изобретение может упростить, удешевить, миниатюризировать High-end аппаратуру.

Известен усилитель (каскад многокаскадного усилителя), представляющий собой соединение транзисторов рnр- и nрn-типов проводимостей - книга Лоу А. и др. "Основы полупроводниковой электроники", пер. с англ. под редакцией Гальперина Е.И., М.: Советское радио, 1956, с.258. Данное устройство названо Лоу "усилителем с дополнительной симметрией". По современной терминологии это "усилитель на комплементарных транзисторах" (К-каскад, К-усилитель). Эти каскады на комплементарных транзисторах имеются в заявляемом объекте.

Схема К-каскада, приспособленного к нашим потребностям, показана на фиг. 1. Здесь с помощью источников 3, 5, 9 резисторов 4, 7 транзисторам 2, 6 задаются постоянные токи, напряжения. Входной сигнал 1 (синусоидальное напряжение), приложенный к базе транзистора 2, увеличивает токи транзисторов 2 и 6, если полупериод сигнала положительный. Отрицательный полупериод уменьшает токи транзисторов. Переменный ток протекает через эмиттерное сопротивление 4 и коллекторную нагрузку, состоящую из резистора 7, диода 8.

На фиг.1 показано условие компенсации нелинейных искажений: если выбрано сопротивление R и желаемое усиление напряжения N=1, 2, 3..., то коллекторная нагрузка должна строиться по формуле Z_K=NR+2ND, т.е. последовательно с резистором в коллекторе следует включить 2N штук диодов. Тогда нелинейные искажения сигнала по выходам К6, Э2 компенсируются. Доказательство компенсации искажений см. далее.

Технический результат заявляемого изобретения не может быть обеспечен с помощью К-каскадов, поскольку многокаскадный усилитель, построенный из n штук К-каскадов, обычным образом имеет существенный недостаток: для соединения каскадов требуется значительное количество вспомогательных элементов (RC-цепей и т.п.). Это плохо, - каждая цепь вносит нелинейные искажения при переходных процессах.

Наиболее подходящим техническим решением по функциональному назначению и технической сути является n-каскадный усилитель, в котором рационально соединены "каскады с дополнительной симметрией", работа каскадов по переменному току обеспечена одним конденсатором (фиг.2). Многокаскадный транзисторный усилитель, каскады которого построены из рnр- и nрn-транзисторов, соединенных эмиттерами, в коллекторы одного из транзисторов каскадов включены резистивные нагрузки, база одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада, а базы всех других транзисторов соединены вместе, образуя общий управляющий электрод каскадов, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов. Этот усилитель имеется в заявляемом объекте.

Схема предложена авторами заявки в 1972 году: Прищепов Г.Ф., Прищепова Т. М. Многокаскадный усилитель. Авт. свид. 327568 (СССР). Опубл. в бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки", 1972, 5. Научная публикация на эту тему приведена в сборнике "Полупроводниковая электроника в технике связи". Вып. 19. Под ред. И.Ф. Николаевского. Москва, Связь, 1978, с. 35-45: статья "Транзисторная структура для симметричных усилителей". Эта транзисторная структура принята нами за прототип.

Технический результат заявляемого изобретения не может быть достигнут в прототипе по причине его недостатков. Недостатки усилителя фиг.2 в том, что нелинейные искажения такие же, как и для обычного транзисторного усилителя. Иначе говоря, отсутствует компенсация нелинейных искажений.

Задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в том, что необходимо компенсировать (уничтожить) нелинейные искажения каскадов многокаскадного транзисторного усилителя фиг. 2. Технический результат заключается в том, что:
- находится условие компенсации нелинейных искажений для усилительного каскада на транзисторе (фиг.1 и 2);
- изменяются коллекторные и эмиттерные цепи каскадов-усилителей фиг.2 (прототипа) и т.о. делается переход к фиг.3 - заявляемому объекту.

Технический результат достигается тем, что последовательно с эмиттерами транзисторов каждого каскада включены резисторы величины R, равной резистору эмиттерной нагрузки последнего каскада, а коллекторные нагрузки предыдущих каскадов составлены из 2N штук последовательно соединенных полупроводниковых диодов и резистора величины NR, где N - целое число (1, 2, 3...).

В результате появляются новые существенные признаки заявляемого объекта по сравнению с прототипом: усовершенствованная транзисторная структура фиг.3 содержит наборы транзисторов рnр- и nрn-типов проводимости, наборы диодов, наборы резисторов, только один конденсатор.

Новые существенные признаки заявляемого объекта порождают следующие его новые свойства:
- компенсируются нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Транзисторная High-end аппаратура достигает качества "лампово-трансформаторного High-end -a";
- High-end усилители могут быть миниатюризированы, могут быть выполнены в виде дешевой микросхемы с малым потреблением энергии.

Указанные свойства, неизвестные ранее для прототипа, позволяют считать, что заявляемое техническое решение соответствует критериям "новизна", изобретательский уровень и "промышленная применимость".

Теоретические доказательства возможности достижения цели приведены далее в описании статики и динамики усилителя.

Предлагаемое изобретение проясняется чертежами.

На фиг. 1 показан "каскад с дополнительной симметрией" (по Лоу А.) или комплементарный усилитель, K-усилитель.

На фиг.2 представлен способ соединения K-каскадов в многокаскадный усилитель (транзисторную структуру). Структура может быть протяженной, состоять из n-штук каскадов, где n - четное число. Последний каскад выполняется эмиттерным повторителем.

На фиг.3 показан заявляемый объект - многокаскадный транзисторный усилитель. Он составлен из комплементарных транзисторов. В эмиттеры каждой пары транзисторов введен резистор номинала R, коллекторные нагрузки построены по формуле Z_К=NR+2ND. N=1, 2, 3... Выражение 2D возникает здесь по причине последовательного соединения двух рn-переходов БЭ транзисторов, поскольку необходимо компенсировать нелинейность этих двух переходов. Условно показан только один диод в коллекторных нагрузках (вместо 2N-штук диодов).

На фиг. 4 показан одиночный каскад без вспомогательных цепей с транзистором и диодом-нагрузкой. Каскад используется для доказательства условия компенсации нелинейных искажений.

На фиг.5 приведено графическое решение задачи об усилении испытательного сигнала u₁ (линейно изменяющегося напряжения) каскадом, у которого в качестве коллекторной нагрузки используется полупроводниковый диод. Выходной сигнал - u₂. Он получен методом проекций.

На фиг.6 показана экспериментальная зависимость частоты среза АЧХ в области низких частот для параллельно-симметричной транзисторной структуры при вариациях емкости С_ОБ.

Фиг.7 - иллюстрация метода измерений мгновенных нелинейных искажений сигнала, прошедшего через усилитель.

Перечень элементов схем:
На фиг.1: 1 - источник сигнала; 2, 6 - транзисторы усилителя;
3, 5, 9 - источники питания, определяющие постоянные токи и напряжения транзисторов 2, 6;
4 - резистор в эмиттерах каскада, номинал резистора R Ом;
7, 8 - коллекторная нагрузка усилителя, - последовательное соединение диодов (2N-штук) и резистора величины 2NR. Здесь N - целое число.

На фиг.2: транзисторы пронумерованы по принадлежности к каскадам: 1, 1₀; 2, 2₀. . . Индекс "о" указывает на подключение базы данного транзистора к общему электроду ОБ.

4, 5 - источники питания;
6 - резистор, изображающий сопротивление источника сигнала;
7, 8, 9 - резисторы коллекторных нагрузок каскадов 1, 2, 3;
10 - сопротивление нагрузки выходного эмиттерного повторителя;
11 - конденсатор общего электрода транзисторов С_ОБ;
n, - энный, четный каскад-повторитель протяженной структуры.

На фиг. 3: в эмиттеры каждой пары транзисторов введен резистор номинала R, коллекторные нагрузки построены по формуле Z_K=NR+2ND. N=1, 2, 3... Выражение 2D возникает здесь по причине последовательного соединения двух рn-переходов БЭ транзисторов, поскольку необходимо компенсировать нелинейность этих двух переходов. Условно показан только один диод в коллекторных нагрузках (вместо 2N-штук диодов).

Транзисторам, подключенным к электроду ОБ (общая база структуры), присвоены номера с индексами "о". Эти транзисторы pnр-типа проводимостей имеют четные номера, а nрn-транзисторы - нечетные номера.

Структура может быть протяженной, состоять из n каскадов, где n - четное число. Последний каскад делается эмиттерным повторителем. Низкоомный резистор R_c на входе изображает сопротивление источника сигнала.

Два источника питания (батареи) E1, Е2 могут быть заменены одним источником Е= Е1+Е2. В этом варианте сигнал подается на базу Б1 через конденсатор С_Б1. Резистор R_Б1 и источник Е определяют постоянный ток базы первого транзистора - см. фиг. 3б.

1 и 1₀; 2 и 2₀; 3 и 3₀; n и n₀ - комплементарные транзисторы первого, второго, третьего и энного каскадов многокаскадного усилителя;
4 - резисторы в эмиттерах комплементарных транзисторов (номинал R Ом);
5 - резисторы коллекторных нагрузок (номинал NR Ом);
6 - диоды компенсаторы нелинейных искажений 2N - штук;
7 - конденсатор в цепи ОБ структуры;
8, 9 - источники ЭДС;
10 - сопротивление источника входного сигнала;
11 - вариант подключения входного сигнала через конденсатор 11;
12 - резистор, задающий ток базы для первого транзистора.

На фиг.4: u₁, u₂ - напряжения входного и выходного сигналов.

1 - транзистор; 2 - диод-нагрузка коллекторной цепи.

На фиг.5: точка 1 напряжения u₁ проецируется на проходную вольтамперную характеристику транзистора 2, далее - на линию нагрузки 3 и вниз. Сюда же приходит "горизонталь времени". На пересечении этих линий получена точка 4, принадлежащая выходному напряжению u₂.

5 - семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора;
ab - ось симметрии нелинейных графиков.

На фиг.6 показана экспериментальная зависимость частоты среза АЧХ в области низких частот для параллельно-симметричной транзисторной структуры при вариациях емкости С_ОБ (N=10, R=100 Ом, I=1 мА, β = 50).

На фиг. 7а: Г - генератор испытательного сигнала (линейно изменяющееся напряжение); У - исследуемый усилитель; А - аттенюатор (делитель напряжения); Ф - фазовращатель; ДО - двухканальный осциллограф;
u₁, u₂ - входное и выходное напряжения, приведенные к одному уровню с помощью аттенюатора; Y, Δy; X, Δx - результаты измерений.

Пример конкретного выполнения усилителя показан на фиг.3. С помощью этой фигуры поясняются статика и динамика устройства.

Статика, связи элементов. Обеспечение нормальной работы структуры по постоянному току при выбранных N, R, I, одинаковых транзисторах, диодах, известных напряжениях U_бэ, U_д, β транзисторов сводится к обеспечению ЭДС источников Е1, Е2: Е₁=NRI+12nu_д; E=Е₁+2RI+4U_бэ. Здесь, N=1, 2, 3... - желаемое усиление напряжения для каскада структуры; I - выбранный ток коллекторов. Если применяется один источник питания, то его ЭДС
Е=Е₁+Е₂.

Ток базе первого транзистора в этом варианте задают с помощью сопротивления R_Б1, сигнал подают через конденсатор:
R_Б1=Е₁/I_б1, I_б1 = I/β.
В результате выполнения перечисленных условий токи транзисторов 1, 1₀, 2, 2₀ и т.д. оказываются одинаковыми и равными выбранному току I. Напряжения база-коллектор транзисторов 1, 3, 5... равны Е1. Напряжение база-коллектор транзисторов 1₀, 2₀... равно IR+2U_БЭ.

Типовая температурная нестабильность напряжений рn-переходов составляет - 2 мВ/град, поэтому для стабилизации токов транзисторов следует обеспечить дрейф напряжений Е1, Е2, Е (мВ/град):
- 4N для Е1; - 4(N+4) для E2;
- (8N+16) для E.

Динамика. По переменному току каскады структуры автономны, независимы, если сопротивление емкости С_об=0. Усилительные каскады образованы транзисторами 1 и 1₀, 2 и 2₀, 3 и 3₀ и т.д. Но в области низких частот через С_об образуется система "распределенных" отрицательных обратных связей каскадов. Эта система связей и определяет нижнюю граничную частоту f_н полосы пропускания по уровню -3 дБ. Экспериментальный график f_н=f(С_об), показанный на фиг.6, получен при I=1 мА, N=10, R=100 Ом, β = 50. График хорошо описывается формулой
2πf_н = 1/t; t=r_обC_об; r_об=40 Ом.

Здесь r_об - дифференциальное сопротивление зажимов ОБ -"земля".

Теоретическое обоснование возможности осуществления устройства, возможности компенсации нелинейных искажений представлен рубриками "упрощенный анализ" и "обобщения".

Упрощенный анализ. Используем функциональный минимум усилительного каскада: биполярный транзистор с диодом-нагрузкой в коллекторе (фиг.4). Схема каскада показана условно, по переменному току, без источника питания, без вспомогательных элементов. Обозначим входной сигнал u_вх = ΔU_бэ = u₁; приращение напряжения диода-нагрузки ΔU_Д = u₂. Приращения токов эмиттера, коллектора, диода:

Пусть вольтамперные характеристики (ВАХ) перехода БЭ и диода-нагрузки одинаковы: J= a exp(bu)-а. Здесь а - ток насыщения перехода, b - показатель степени экспоненты. Связь между напряжением диода и его током описывается функцией логарифма
u=1/b ln[(i+а)/а].

Если ток i вызван u₁, а затем возникает напряжение u₂ диода, то
u₂=(1/b₂)ln[(а ехр(b₁u₁)-a+а)/a]=u₁, если b₁=b₂.

В результате u₂, повторяет u₁, - нелинейные искажения компенсируются. Компенсация нелинейных искажений подтверждается графически с помощью фиг. 5. Здесь обозначено:
1 - испытательный входной сигнал u₁ - "пилообразное" напряжение;
2 - вольтамперная характеристика (ВАХ) перехода БЭ;
3 - ВАХ диода коллекторной нагрузки, построенная из точки Е влево;
4 - выходное напряжение u₂, полученное методом проекций;
5 - семейство выходных ВАХ транзисторов.

Отрезок ОЕ - напряжение питания каскада. Линии со стрелками отражают последовательность проекций. График 3 - это зеркальная копия графика 2 относительно оси аb.

Отметим, что нелинейные искажения компенсируются в режиме большого сигнала, по всей ВАХ нелинейного элемента.

Обобщение 1. Если показатели степеней экспонент для переходов БЭ и диода разные, если b₁/b₂= N, то компенсация искажений сопровождается усилением напряжения в N раз. Аналогичный эффект получается при включении в коллектор N штук диодов, ВАХ которых идентичны с ВАХ перехода БЭ.

Обобщение 2. Если известна ВАХ нагрузки, то для компенсации нелинейных искажений усилителя следует выбрать усилительный элемент с вольтамперной характеристикой, подобной вольтамперной характеристике нагрузки. К примеру, нагрузкой кремниевого транзистора может быть германиевый диод: обе ВАХ - экспоненты.

В High-end усилителях на электронных лампах анодной нагрузкой служит первичная обмотка трансформатора. Вольтамперная характеристика нагрузки соответствует кривой намагничения электротехнической стали.

Графики ВАХ электронных ламп зависят от вариации шага сетки-спирали вдоль длины стержня-катода. Классический пример на эту тему представляет нам варимю-пентод 6К4, сделанный для радиоприемников с автоматической регулировкой усиления (книга: Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. М., 1960. - с.232).

Разработчики High-end усилителей случайно или в порядке ноу-хау пользуются законом компенсации нелинейных искажений (обобщением 2). Они так подбирают тип электронной лампы, чтобы ее ВАХ соответствовала ВАХ первичной обмотки анодного трансформатора. Обобщение 2 они называют звуковым равновесием. Но компенсацию искажений удается осуществить только для начального участка кривой намагничения. Следовательно, приходится делать "значительный запас усиления по мощности, но не использовать всю мощность усилителя".

Обобщение 3. Для компенсации нелинейных искажений усилительного каскада с резистором R в эмиттере потребуется N штук (R+D) - элементов коллекторной нагрузки. Если D - диоды с ВАХ, идентичными ВАХ перехода БЭ, то усиление напряжения компенсированного каскада равно N.

Обобщение 3 лучше всего проверяется с помощью программ анализа электронных схем на ПЭВМ, когда можно задавать и проверять любые ВАХ нелинейных элементов.

В литературе обсуждались нелинейные искажения, возникающие во время переходных процессов в RC - цепях, расположенных между каскадами или в контуре обратной связи, охватывающей многокаскадный усилитель. Сделаны выводы о пользе обратных связей, "распределенных по каскадам", о минимуме RC - цепей в усилителе. Перечисленным требованиям удовлетворяет параллельно-симметричная транзисторная структура фиг.2, если в эмиттеры каждой пары комплементарных транзисторов ввести резистор R, а коллекторные нагрузки построить по формуле Z_к=NR+2ND (фиг.3). Коэффициент 2 возникает здесь по причине последовательного соединения двух рn-переходов БЭ комплементарных транзисторов. На фиг. 3 условно показано по одному диоду в нагрузках каскадов (вместо ZN-штук). Эмиттерный повторитель структуры (n-й каскад фиг.3, 2) отличается тем, что переменное напряжение u_n подается на нагрузку R через переход БЭ nрn-транзистора, а снимается с цепи (R+БЭ) рnр-транзистора. При этом
u_вых=u_бn-u_бэn+iR+u_бэno, u_бэn=u_бэno,
т. е. нелинейные искажения повторителя компенсируются. Для наращивания усиления тока к эмиттерам транзисторов n, n₀, можно подключить еще один повторитель на комплементарных транзисторах по схеме Дарлингтона и т.д.

Индикация нелинейных искажений. При настройке High-end усилителей полезен метод сравнения форм входного и выходного сигналов в данное мгновение времени по схеме фиг.7. Здесь Г - генератор испытательного сигнала (линейно изменяющееся напряжение); У - исследуемый усилитель; А - аттенюатор (делитель напряжения); Ф - фазовращатель; ДО - двухканальный осциллограф; Y, Δy; X, Δx - результаты измерений. Измерения можно производить на средней частоте и частотах среза АЧХ, при любой амплитуде входного сигнала.

Изложенные особенности усилителя фиг.3 позволяют рекомендовать его для построения транзисторной High-end аппаратуры, не уступающей ламповой высококачественной аудио-аппаратуре, но и превосходящей ее по экономичности, технологичности, надежности, обладающей меньшими весом и объемом.

Транзисторная High-end аппаратура (на основе фиг.3) может быть миниатюризирована с помощью диодных, транзисторных сборок или заказных интегральных микросхем на базовых матричных кристаллах, - см. книгу Цифровые интегральные микросхемы: Справочник /Мальцев П.П. и др. - М.: Радио и связь, 1994. - с.179. Микросхемы этого типа могут найти широкое применение в усилителях звуковых частот телевизоров, радиоприемников и т.д.

При сравнении технико-экономических показателей усилителя фиг.3 и прототипа (фиг.2) отметим, что расширена область применения прототипа, что возникает ситуация, когда прототип становится товаром массового спроса.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для построения усилителей на транзисторах, не искажающих усиливаемый сигнал. Многокаскадный транзисторный усилитель содержит каскады, построенные из рnр- и nрn-транзисторов, соединенных эмиттерами через резистор R. В коллекторы транзисторов, базы которых образуют общий управляющий электрод, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов, включены резистивные нагрузки, база других транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада. Коллекторные нагрузки каскадов составлены из 2N штук последовательно соединенных полупроводниковых диодов и резистора величины NR, где N- целое число: 1, 2, 3... - усиление напряжения каскада. Технический результат: компенсация нелинейных искажений. 7 ил.

Многокаскадный транзисторный усилитель, каскады которого построены из рnр- и nрn-транзисторов, соединенных эмиттерами, база одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада, а базы всех других транзисторов соединены вместе, образуя общий управляющий электрод каскадов, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов, отличающийся тем, что коллекторные нагрузки транзисторов, базы которых образуют общий управляющий электрод каскадов, составлены из 2N штук последовательно соединенных полупроводниковых диодов и резистора величины NR, последовательно с эмиттерами транзисторов каждого каскада включены резисторы величины R, равной резистору эмиттерной нагрузки последнего каскада, где N= 1, 2, 3. . . - усиление напряжения каскада.