ШИРОКОПОЛОСНЫЙ НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ УРОВНЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И ШУМОВ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в т.ч. ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные неинвертирующие усилители (ШНУ), обеспечивающие усиление по мощности и преобразование входных сигналов [1-15].

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ШНУ фиг.1, представленная в патенте US 5.512.859, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1÷17]. Во многих практических случаях выходной неинвертирующий каскад ШНУ реализуется по схеме с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3), причем такое решение ШНУ является классическим для его многих применений [16-17].

Существенный недостаток известного ШНУ фиг.1 (фиг.2, фиг.3) состоит в том, что он характеризуется повышенным уровнем нелинейных искажений, который измеряется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШНУ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШНУ [16, 17].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном неинвертирующем усилителе фиг.1 (фиг.2, фиг.3), содержащем неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - между входом 2 и выходом 6 устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель 7, второй 8 и третий 9 дополнительные резисторы, причем общий узел 10 второго 8 и третьего 9 дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада 11, токовый выход которого 12 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена функциональная схема усилителя-прототипа фиг.1.

На фиг.3 показана схема, соответствующая фиг.2, в которой дан конкретный пример построения неинвертирующего выходного каскада 1 со стабильным коэффициентом передачи на основе операционного усилителя A1 и резисторов R1 и R2.

На фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения U_ош моделирует генерацию нелинейных искажений в схеме фиг.4, обусловленных неинвертирующим выходным каскадом 1, а также шумов и наводок различной природы. Как правило, это вторая, третья и другие гармоники основного сигнала u_вх.

На фиг.5 приведена схема фиг.4 в среде PSpice, на базе которой проведено компьютерное исследование заявляемого устройства. Здесь корректирующий каскад 11 моделируется элементом G1.

На фиг.6 показан спектр выходного напряжения заявляемого устройства фиг.5 при значении крутизны $${\text{(S}}_{\text{11}}=\text{Gain)}$$ корректирующего каскада $$\text{11 Gain}=\text{0}$$ при входном напряжении $$u_{вх}=U(in)=10мВ$$ с частотой $$F(in)=10кГц$$ , а также напряжении ошибки $$u_{ош}=V4=1мВ$$ , моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники $$\text{F(V4)}=\text{30кГц}\text{.}$$

На фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S₁₁=Gain корректирующего каскада 11S₁₁=Gain=1 См при входном напряжении $$u_{вх}=U(in)=10мВ$$ с частотой $$F(in)=10кГц$$ , а также напряжении ошибки $$u_{ош}=V4=1мВ$$ , моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники $$\text{F(V4)}=\text{30кГц}\text{.}$$ Сравнение фиг.6 и фиг.7 показывает, что амплитуда третьей гармоники на выходе заявляемого устройства фиг.5 уменьшилась (за счет новых связей) с 1 мВ до 2,3 мкВ, т.е. более чем в 400 раз.

На фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 11S₁₁=Gain=5 См при входном напряжении $$u_{вх}=U(in)=10мВ$$ с частотой $$F(in)=10кГц$$ , а также напряжении ошибки $$u_{ош}=V4=1мВ$$ , моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники $$\text{F(V4)}=\text{30кГц}\text{.}$$ Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась более чем в 2000 раз.

На фиг.9 приведена схема ШНУ фиг.4 в среде PSpice, в котором выходной каскад 1 реализован (для подтверждения эффективности заявляемого устройства) по двухтактной схеме с заведомо большой зоной нечувствительности и имеет типовые нелинейные искажения (фиг.10), описанные в учебной литературе.

На фиг.10 представлена осциллограмма выходного напряжения устройства фиг.9 при синусоидальном входном сигнале и Gain=0, т.е. ШНУ-прототипа.

На фиг.11 показана осциллограмма выходного напряжения ШНУ фиг.10 в увеличенном масштабе (Gain=0).

На фиг.12 представлена осциллограмма выходного напряжения схемы ШНУ фиг.9 при Gain=0.01 См.

На фиг.13 показана осциллограмма выходного напряжения ШНУ фиг.12 в увеличенном масштабе при Gain=0.01 См.

На фиг.14 приведена осциллограмма фиг.13 выходного напряжения схемы фиг.9 в увеличенном масштабе при Gain=0.1 См.

На фиг.15 показана осциллограмма выходного напряжения схемы фиг.9 при Gain=l См.

На фиг.16 представлена осциллограмма фиг.15 выходного напряжения в увеличенном масштабе при Gain=1 См. Из данного графика следует, что предлагаемое схемотехническое решение фиг.9 компенсирует существенные нелинейные искажения, обусловленные неинвертирующим выходным каскадом 1.

На фиг.17 показана схема ШНУ фиг.4 с заведомо большой зоной нечувствительности в выходном неинвертирующем каскаде 1, которая использовалась для моделирования в среде PSpice спектра выходного сигнала заявляемого устройства.

На фиг.18 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=0 и при входном напряжении u_вх=U₃(in)=3В с частотой F(in)=10кГц. Фактически распределение гармоник фиг.18 соответствует свойствам ШНУ-прототипа.

На фиг.19 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=5 См и входном напряжении u_вх=U₃(in)=3В с частотой F(in)=10кГц.

Сравнение графиков фиг.18 и фиг.19 показывает, что амплитуды третьей, пятой и седьмой гармоник в заявляемой схеме ШНУ фиг.17 уменьшаются более чем в 1000 раз.

Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов (фиг.4) содержит неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1. Между входом 2 и выходом 6 устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель 7, второй 8 и третий 9 дополнительные резисторы, причем общий узел 10 второго 8 и третьего 9 дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада 11, токовый выход которого 12 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1.

На фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 11 используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.

Кроме этого, на фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 11 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями. На практике маломощный и неискажающий сигнал буферный усилитель 7 реализуется на основе каскада с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3) [16, 17].

Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.4, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в неинвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений u_ош с частотой третьей гармоники 30 кГц.

Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 связан, во-первых, с выделением в узле 10 сигнала ошибки u₁₀~u_ош, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих u_ош на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой 30 кГц):

$$u_{10}=\frac{R_8}{R_9+R_8}{u}_{ош}\approx \frac{u_{ош}}{2}.$$

При этом следует заметить, что в узле 10 отсутствует входной усиливаемый сигнал u_вх с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 10 двух его противофазных составляющих u_c=-u_вх и u_вых.

Выделенная таким образом ошибка u₁₀≈u_ош/2 вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 11 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение u_ош, генерируемое этим выходным каскадом.

Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 11 (S₁₁=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений u_ош полностью передается в нагрузку 5. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 6 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 30 кГц имеет амплитуду u_вых=1 мВ.

При введении цепи коррекции 11, имеющей крутизну S₁₁=1 См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.4 с частотой 30 кГц уменьшается в 500 раз с 1 мВ до 2,3 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления u_ош достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S₁₁ обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно. Аналогичные выводы можно сделать и в результате сравнения амплитуд выходных гармоник ШНУ фиг.18 и фиг.19 - в предлагаемой схеме все паразитные гармоники уменьшаются более чем в 1000 раз.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по уровню подавления нелинейных искажений и шумов. Кроме этого, как показывает моделирование, предлагаемая структура широкополосного усилителя позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения $${\vartheta }_{вых}$$ устройства в целом при малых значениях $${\vartheta }_{вых}$$ в выходном неинвертирующем каскаде 1.

Источники информации

1. Патент US 5.241.283 fig.6.

2. Патентная заявка US 2004/0080371.

3. Патентная заявка US 2006/0132238.

4. Патент JP 10242777.

5. Патент US 4.607.235.

6. Патентная заявка US 2006/0087369 fig. 6.

7. Патентная заявка US 2006/0220590.

8. Патент US 4.335.359.

9. Патент US 4.510.458.

10. Патент US 5.237.526 fig. 2 В.

11. Патентная заявка US 2005/0122170.

12. Патентная заявка US 2005/0035821.

13. Патент US 6.107.884 fig. 2.

14. Патент US 5.225.791.

15. Патентная заявка US 2002/00057592.

16. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография / Н.Н.Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.

17. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в том числе ВЧ- и СВЧ-диапазонов. Технический результат: уменьшение уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом. Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов содержит неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1). Между входом (2) и выходом (6) устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель (7), второй (8) и третий (9) дополнительные резисторы, причем общий узел (10) второго (8) и третьего (9) дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада (11), токовый выход которого (12) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1). 2 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов, содержащий неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1), отличающийся тем, что между входом (2) и выходом (6) устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель (7), второй (8) и третий (9) дополнительные резисторы, причем общий узел (10) второго (8) и третьего (9) дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада (11), токовый выход которого (12) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1).

2. Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов по п.1, отличающийся тем, что в качестве корректирующего каскада (11) используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.

3. Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов по п.1, отличающийся тем, что в качестве корректирующего каскада (11) используется усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.