Дифференциальный усилитель Советский патент 1984 года по МПК H03F3/45 

тельным источником смещения и непосредственно с анодом первого диода катод которого является выходом датчика глубины отсечки выходного транзистора .

4. Усилитель по п, 1, о т л ичающийс я тем, что, с целью уменьшения потребляемой мощности, датчик глубины отсечки выходного транзистора выполнен на шестом транзисторе, имеющемп-р-п-структуру, втором диоде, третьем источнике стабильного тока, втором дополнительном источнике смещения, четвертом и пятом резисторах, первые выводы которых объединены и подключены к коллектору входного транзистора, второй вывод четвертого резистора соединен с эмиттером выходного транзистора, а второй вывод пятого резистора - с объединенными базой выходного транзистора и эмиттером шестого транзистора, база которого подключена к источнику смещения, а кол тектор через третий источник стабильного тока соединен с вторым дополнительным источником смещения и непосредственно с ано|з:ом второго диода, катод которого является выходом датчика глубины отсечки выходного транзистора

1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ , содержащий в каждом плече входной и выходной транзисторы, имеющие п-р-п -структуру, при этом коллекторы выходных транзисторов подключены к несимметричной активной нагрузке, соединенной с положительной щиной источника питания, а также управляекый источник стабильного тока, подключенный к отрицательной щине источника питания, и источник смещения, отличающийс я тем, что, с целью расширения динамического диапазона, в каждом плече дифференцигшьного усилителя между базой и эмиттером выходного транзистора и кот лёктором входного транзистора введен датчик глубины отсечки выходного транзистора, выводы питания которого подключены к шине источника смещения, а выходы датчиков глубины отсечки выходных транзисторов объединены и подключены к входу упрайляемого источника стабильного тока, выход которого подключен к эмиттерам входных транзисторов через соответствующие введенные первый и второй вспо- могательные пезистооы. 2.Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, датчик глубины отсечки выходного транзистора выполнен на первом и втором транзисторах, имекядих п-р-п-структуру, и третьем и четвертом транзисторах, имеющихр-п-р-структуру, первом резисторе и первом источнике стабильного тока, включенном между отрицательной шиной источника.питания, объединенными коллектором и базой третьего транзистора и базой четвертого транзистора, эмиттер которого.соединен с коллектором входного транзистора и через первый резистор с эмиттером второго транзистора, база и коллектор§ которого подключены к объединенным W эмиттеру выходного транзистора и базе первого транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером третьето транзистора, а коллектор - с источником смадения и базой выходного транзистора, при этом коллектор чет- вертого транзистора явлйетс.я выходом датчика глубины отсечки выходного транзистора. 3.Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, датчик глубины отсечки выходного транзистора выполнен на пятом транзисторе, имеющем п-р-п -структуру, первом диоде, втором источнике стабильного тока, первом дополнительном источнике смещения, втором и третьем резисторах, первые выводы КОТОРЫХ объединень и псдк.шочены к коллектору входного транзистора, второй вывод второго резистора соединен с эмиттером выходного транзистора, а второй вывод Т1 етьего резистора соединен с эмиттером пятого транзистора, база которого подключена к источнику смещения и базе выходного транзистора, а коллектор через второй источник стабильного тока соедьнен с первым дополни

Изо;бретение относится к радиотехнике и молсет использоваться в различ ных аналоговых и аналогоцифровых устройствах. Известен дифференциальный усялитель, содержащий входные транзисторы с объединеннЕлми эмиттерами, выходные транзисторы, коллекторы которых подключены к активной нагрузке, а эмиттеры соединены с коллекторами входны транзисторов через вспомогателььзые резисторы, стабилизатор тока в общей эмиттерной цепи входных транзисторов цепь следящей обратной связи по синфазному сигналу, выход которой соеди нен с базами выходных транзисторов, дополнительные транзисторы, базы которых подключены к базам входных транзисторов, эмиттеры - с коллекторами входных транзисторов противоположного плеча дифференциального усилителя l. Данный дифференциональный усилитель обладает расширенным диапазоном активной работы, однако он имее неудовлетворительные параметры по дрейфу ЭДС смещения нуля, дрейфу входных токов и стабильности статического режима активных элементов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является дифференциальный - усилитель, содер жащий в каждом плече входной и выход ной транзисторы, имеющиеп-р-п -структуру, при этом коллекторы выходных транзисторов подключены к несимметричной активной нагрузке, соединенной с положительной шиной источника питания, а также управляемый источник стабильного тока, подключенный к отрицательной шине источника питания и источник смещения 2. Однако в известном устройстве сравнительно узкий динамический диапазон гштивной Е аботы, низкие быстродействие и точность. Цель изобретения - расширение динамического диапазона, повышение быстродействия, точности и уменьшение потребляемой мощности. Цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе, содержащем в каждом плече входной и выходной транзисторы, имеющие ii-p-п -структуру, при этом коллекторы выходных транзисторов подключены к несимметричной активной нагрузке, соединенной с положительной шиной источника питания j а также управляемый источник стабильного тока, подключенный к отрицательной шине источника питания, и источник смещения, з каждом плече дифференциального усилителя между базой и эмиттером выходного транзистора и коллектором входного транзистора, введен датчик глубины отсечки выходного транзистора, выводы питания которого подключены к шине источника смещения, а выходы датчиков глубины отсечки выходных транзисторов объединены и подключены к входу управляемого источника стабильного тока, выход которого подключен к эмиттерам входных транзисторов через соответствующие введенные первый и второй вспомогательные резисторы. Датчик глубины отсечки выходного транзистора выполнен на первом и втором транзисторах, имеющих п-р-п структуру, и третьем и четвертом транзисторах, имеющих р-п-р -структуру, первом резисторе и первом источнике стабильного тока, включенном между отрицательной шиной источника питания и объединенными коллектором и базой третьего транзистора и базой четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с коллектором входного транзистора и через первый резистор с эмиттером второго транзистора, база и коллектор которого подключен к объединенным эмиттеру выходного транзистора и базе первого транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером третьего транзистора, а коллектор - с источником смещения и базой выходного транзистора, при этом коллектор четвертого транзистора является выходом датчика глубины отсечки выходного транзистора . Кроме того, датчик глубины отсечки выходного транзистора выполнен на пятом транзисторе, имеющем п-р-п -структуру, первом диоде, втором источнике стабильного тока, первом дополнительном источнике смещения, втором и третьем резисторах, первые выводы которых объедине ны и подключены к коллектору входного транзистора, второй вывод второго резистора соединен с эммитетром выходного транзистора, а вто рой вывод третьего резистора - с эмиттером пятого транзистора, база которого подключена к источнику смещения и базе выходного транзистора, а коллектор через второй ист ник стабильного тока соединен с первым дополнительным источником смещения и непосредственно с анодом первого диода, катод которого является, выходом датчика глубины отсеч ки выходного транзистора. Датчик глуьины отсечки выходного транзистора выполнен на шестом тран зисторе, имеющемп-р-п -структуру , втором диоде, третьем источнике стабильного тока, втором дополнител ном источнике смещения, четвертом и .пятом резисторах, первые выводы которых объединены и подключены к коллектору входного транзистора, вт рой вывод четвертого резистора соед нен с эмиттером выходного транзисто ра, а второй вывод пятого рези.ртора с объединенными базой выходного транзистора и эмиттером шестого тр зистора, база которого подключена к источнику смещения, а коллектор через третий источник стабильного тока соединен с вторым дополнитель ным источником смещения, и непосред ственно с анодом второго диода, ка которого является выходом датчика глубины.отсечки выходного транзист На фиг. 1 представлена структур ная, схема дифференциального усилителя; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема дифференциальн усилителя по п. 2; на фиг. 3 - при ципиальная электрическая схема диф ференциального усилителя по п.З; н фиг, 4 - принципиальная электричес схема дифференциального усилителя по п.4. .. Дифференциальный усилитель (фигЛ) содержит входные транзисторы 1 и 2, выходные транзисторы 3 и 4, несимметричную активную нагрузку 5, управляемый, источник 6 стабильного тока, источник 7 смещения, датчики 8 и 9 глубины отсечки. выходных транзисторов, первый и второй вспомогательные резисторы 10 и 11, положительную и отрицательную шины 12 и 13 источника питания. Датчик глубины отсечки выходного транзистора дифференциального усилителя (фиг.2) содержит первый, второй, третий и четвертый транзисторы 14 17, первый резистор 18, первый источник 19 стабильного тока. Датчик глубины отсечки выходного транзистора дифференциального усилителя (фиг.З) содержит пятый транзистор 20, первый диод 21, второй источник 22 стабильного тока, первый дополнительный источник 23 смещения, второй и третий резисторы 24 и 25. Датчик глубины отсечки выходного транзистора дифференциального усилителя (фиг. 4) содержит шестой транзистор 26, второй диод 27, третий источник 28 стабильного тока, второй дополнительный источник 29 смещения, четвертый и пятый резисторы 30 и 31. Дифференциальный усилитель работает следующим образом. В статическом режиме выходные сигналы датчиков 8 и 9 глубины отсечки выходныхтранзисторов равны нулю. Выходной .ток управляемого -источника 6 стабильного тока Э перераспределяется между.входными транзисторами 1 и 2 следующим образом т т i . Z Датчики, 8 и 9 глубины отсечки выходных транзисторов постоянно контролируют величины токов, протекающих либо в цепи эмиттера Л (фиг. 2), либо в цепи базы (фиг.4) выходных транзисторов 3 и 4. В частном случае о глубине отсечки выходных транзисторов .3 и 4 можно судить по .величине напряжения на эмиттерно-Сазовом переходе выходных транзисторов (фиг.З). Если под действием входного напряжения дифференциального усилителя токиО , 3g (или Ujg ) уменьшаются от своего статического у1::овня на заданную величину, то на выходе датчика 8(9) глубины отсечки выходного транзистора появляется сигнал, который, изменяет выходной ток управляемого источника 6 стабильного тока таким образом, чтобы дальнейшее уменьшение контролируемого параметра не наступило. Стабилизация J3f 5 и 35 выходного транзистора 3(4) эквивалентна стабилизация эмиттерного тока входных транзисторов 1(2), . В.результате все приращение входного напряжения дифференциального усилителя передается на выход управляемого источника б стабильного тока. Последнее и обуславливает расширение динамического диапазона дифференциального усилителя (фигЛ). За счет.новых связей в дифференциальном усилителе (фиг,1) статический .режим активных элементов оказывается более стабильным и независящим от разброса их входных характеристикРассмотрим работу дифференциального усилителя- (фиг.2). . При нулевом входном напряжении tjgy О четвертые транзисторы 17 в датчиках 8 и 9 глубины отсечки выходных транзисторов заперты, следо вательно, на.управляющий вход управляемого .источника б стабильного тока.сигнал.управления не поступает Выходной ток управляемого источника, б стабильного тока перераспределяется.между входнЕ-1ми транзисторами 1 и 2., Закрытое состояние четвертых транзисторов 17 обеспечивается первыми резисторами 18. Если напряжение на базе входного транзистора 2( получает положительное приращение, то это вызывает уменьшение тока коллектора входного транзистора 1 и увеличение тока коллектора входного транзистора 2, При этом уменьшается и напряжение на первом резисторе 18. .В результат при некотором 02 V|-p 25-50 мВ четве тый транзистор 17 , датчик 8 глубины отсечки выходного транзистора начинают открываться, что приводит к увеличению тока управляемого источни ка 6 стабильного тока. Пoэтo y дальнейшая отсечка выходного транзистора 3 прекрахиается и напряжение на выход управляемого .источника б стабильного тока перестает изменяться. . Как следствие практически все входное дифференциальное напряжение дифференциального усилителя будет приложено к второму вспомогательному резистору 11, Поэтому коллекторный ток входного транзистора 2 начинает увеличиваться пропорционально СЦ Прирапённе тока i через первый резистор 18, второй транзистор 15 датчика 9 глубины отсечки вы.ходного транзистора и выходной транзистор;. 4 пере,а ается на выход дифференциального усилителя. .. При больших отрицательных приращениях .1/2 увеличивается коллекторный ток входного транзистора 1, а именно Этот ток через первый резистор 1В, второй транзистор 15 датчика 8 .глубины отсечки выходного транзистора и выходной транзистор 3 также передается через несимметричную активную нагрузку 5 на выход дифференциального усилителя. Таким.образом, в дифференциальных усилителях (фиг.1 и 2) формируется характеристика передачи в(,/х 8Х не имеющая традиционных ограничений типа насыщения, причем координаты точек излома этой характеристики не зависят.от разброса напряжений эмиттер - база основных транзисторов. Это позволяет применять в качестве данных.элементов полевые транзисторы составные транзисторы и т.п., т.е. . уменьшать входной ток дифференциального усилителя и уровень его дрейфа. . В .любом случае за счет введения новых связей стабильность режима транзисторов будет обеспечена. Введение датчиков 8 и 9 .глубины отсечки выходных транзисторов дает возможность .расширить диапазон активной работы дифференциального усилителя без ухудшения статических и дрейфовых параметров и тем самым повысить быстродействие. В дифференциальном усилителе (фиг.З) при малых уровнях входного дифференциального сигнала 0 2550 мВ пятые транзисторы 20 датчиков 8 и 9 глубины отсечки выходных транзисторов насыщены, а управляемый вход управляемого источника 6 стабиль ного тока заперт. Если под действием tJ коллекторный ток входного TpaFi3HCTopa 1 уменьшится до уровня тока 22 второго источника 22 стабильного тока, датчика 8 глубины отсечки выходного транзистора, где ток , где .J/ - ток управляемого источника 6 стабильного тока при запертом управляемом входе, то (при равенстве номинален второго и третьего резисторов 24 и 25) появляется выходной ток датчика 8 глубины отсечки выходного транзистора и, следовательно, управляющий сигнал для управляемого источника б стабильного тока. Это вызывает стабилизацию тока в первом вспомогательном резисторе 10 и приводит к.передаче всего дальнейшего приращения tJg в общую эмиттерную цепь входных транзисторов. . Как , следствие, в дифференциальном усилителе (фиг.З) коллекторный ток входного транзистора 2, т.е. ток нагрузки не ограничивается в широком диапазоне .входного сигнала, а построение .датчиков 8 и 9 глубины отсечки выходных транзисторов позволяет повыс.ить точность передачи сигнала в дифферэнциальном усилителе, Выполнение датч5;ков 8 и 9 глубины отсечки выходных транзисторов дифференциального усилителя (фиг,4) позволяет также уменьшить мощность, потребляемую дифференциальным усилителем.

Все рассмотренные дифференциальные усилители имеют более высокую стабильность статического режима и меньший уровень дрефа. Во-первых, датчики 8 и 9 глубины отсечки выходных транзисторов не влияют на работу дифференциального усилителя в област малых входных сигналовU0x 25-50 мВ. Во-вторых, элементы, подключенные к.дифференциальному усилителю для расширения его диапазона активной работы, переходят в активный режим не по потенциальному сигналу, как это имеет место в известном дифференциальном усилителе, а по токовому сигналу, формируется датчика,1 7 ГК

8

W

ми 8,9 глубины отсечки выходных транзисторов.

.Это позволяет отказаться от точного согласования уровней напряжения на р - п-перёходах дополнительных элементов, т.е. исключить влияние на статические параметры дифференциального усилителя.

Преимущества предлагаемого диффе- ренциального усилителя состоят, прежде всего, в улучшении быстродействия и статической точности. При этом выигрыш по максимальной скорости нарастания выходного напряжения может достигать одного-трех порядков Кроме того, повышение быстродействия операционного усилителя за счет применения предлагаемого дифференциального усилителя оказывается более экономически эффективным.

.J

I

f.

11

7J -о -

23

-%Г2

f;()

w

l

20

25 2

„J

I

п

::

I

13 о0i/f.J