Усилитель-ограничитель Советский патент 1989 года по МПК H03G11/00 

сд

00

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в логарифмических усилителях. Цель изобретения - повышение стабильности фазовых характеристик температурной стабильности коэффициента усиления и уровня ограничения. Для достижения цели введены три транзистора 9, 10, 11 в диодном включении, имеющие N-P-N -структуру, резистор 4 и источник 7 стабильного тока. Источник питания выполнен со средней точкой, соединенной с общей шиной. Токозадающий элемент выполнен в виде источника 8 тока с переменным температурным коэффициентом и дополнительным выходом. Во всем динамическом диапазоне выходных сигналов транзистор 2 работает в линейном режиме, отсечка тока эммитера и насыщение отсутствуют, а это значит, что стабилизируются фазовые характеристики усилителя-ограничителя. 5 ил.

Фи2.1

/3

3150

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в логарифмических усилителях.

Цель изобретения - повышение ста- бильности фазовых характеристик, температурной стабильности коэффициента усиления и уровня ограничения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема усилителя-ограничителя, на фиг. 2-4 - принципиальные электрические схемы соответственно элемента базового смещения, источника стабильного тока и источника тока с переменным температурным коэф- фициентом усилителя-ограничителя; на фиг, 5 - график зависимости тока эмиттера выходного транзистора усилителя-ограничителя от изменения температуры,

Усилитель-ограничитель (фиг,1) содержит входной транзистор 1, выходно транзистор 2, первый и второй резисторы 3 и 4, нагрузочный резистор 5, элемент 6 базового -смещения, источни 7 стабильного тока, источник 8 тока с переменным температурным коэффициентом, первый, второй, третий транзисторы 9-11 в диодном включении, положительная и отрицательная пшны 12 и 13 источника питания, при этом элемент 6 базового смещения (фиг,2) выполнен на транзисторе 14, резисторе 15, катушке 16 индуктивности, источник 7 стабильного тока (фиг,3) выполнен на транзисторах 17 и 18, резисторах 19 и 20, стабилитроне 21, конденсаторе 22, источнике 8 тока с переменным температурным коэффи- ентом (фиг.4) выполнен на транзисто- pax 23 и 24, диодной цепи 25 смещения, резисторах 26-31 и цепи 32 смещения, выполненной на резисторе 33, стабилитроне 34,

Усилитель-ограничитель работает следующим образом.

При малом уровне входного сигнала, когда вьтолняется условие

бх

iif

(1)

где и

огр

уровень ограничения усилителя-ограничителя j уровень входного сигнала; коэффициент усиления усилителя-ограничителя , Усилитель-ограничитель работает

в линейном режиме и его коэффициент

усиления равен

UBX

, (2)

-коэффициент передачи змит- терного повторителя, выполненного на транзисторе 1;

-коэффициент передачи транзистора 2, включенного по схеме с общим эмиттером.

Коэффициент передачи эмиттерного овторителя , определяется

Bi

де К

К

OIC

0

де R.

К,4Гэ,

(3)

э

Ч т

а---

Э1

kT т k

q

т

сопротивление первого резистора 3;

сопротивление эмиттера транзистора 1;

термический потенциал;

постоянная Больцмана; заряд электронау абсолютная температура по шкале Кельвина,

К

R

оэ

эа+ 9

(4)

де R - сопротивление нагрузочного

резистора 5, сопротивления эмиттеров

соответственно транзисторов 2 и 9,

.

п

т -- И

i

)

-39

где I,, и I

эг

- токи эмиттера соответственно транзисторов 2 и 9,

Поскольку транзисторы 14 и 1 выбираются согласованными, то Ug и, и потенциал эмиттера транзистора 1 всегда равен нулю, кроме того, согласованными являютс я транзисторы 10, 2 и 11,9 поэтому справедливо равенство

I.., . (5)

где

Ь Э9 5И

ТОК источника 7 тока, причем I

Э9

стабильного

1Э11

Сопротивление эмиттеров транзисторов 10 и-11 на Kyt не влияют, так как выходное сопротивление источника 7 стабильного тока благодаря установке конденсатора 22 большой емкости для переменной составляющей равно нулю.

Аналогично можно записать

эг 910 Э1

(6)

I

эо

31

- токи выхода и дополнительного выхода ис515065

точника 8 тока с пере- менньм температурным коэффициентом.

В развернутом виде выражение (2) g запишется следующим образом:

К - liil- . , (7)

18

где С

f RjIj.+CT СТ(1,+1„) k

- - константа.

,ли К - .-.--. .R ilaoliiii.i,

Г Rjl,, +СТ CT(Ijo+2l,, ) (8)

Из (8) можно получить закон, по которому должен изменяться ток.1 чтобы обеспечить стабильность К при изменении температуры окружающей среды

т 2K ic C-T-T2j(.. +CTi+Ril9,RiI« so K,j,CT(R,I,, +CT)-fR,I,, ,,

В выражении (9) знак минус физического смысла не имеет и отражает инвертирующее свойство схем с общим эмиттером. Зависимость (9) описывает монотонно возрастагацую кривую, 25 график которой качественно представлен на фиг. 5 (сплошная линия).

Точное воспроизведение этой зависимости встречает серьезные трудности и приводит к громоздким схемным 30 решениям, поэтому наиболее целесообразно заменить кривую фиг. 5 кусочно-линейной кривой, которая также представлена на фиг. 5 (пунктирной линией).2g

Нестабильность Кус связанная с неточным воспроизведением зависимости (9) при аппроксимации двумя прямыми, не превышает 3% в температурном диапазоне от -60 до 100°С. 40

Кусочно-линейную аппроксимацию обеспечивает источник 8 тока с переменным температурным коэффициентом (фиг.4). Ток на каждом из выходов источника 8 тока в случае ра- 45 венства сопротивление нагрузки и резисторов 30 и 31 равен

т -т -У11К2а1Убэ..25

R.e + У11 .

где К , Kj, - коеффициенты переда- 55 чи делителей, выполненных на переменных резисторах 28 и 29 соответственно;

и - напряжение стабилизации стабилитрона 34;

R, - сопротивления регулировочных резисторов 26 и 27 соответственно

Uf. падение напряжения в 10 цепи 23 из транзисторов в диодном включении; п - число транзисторов в

цепи 25.

О 15 Настройка схемы (фиг.4) произво- 3 „ дится следующим образом.

При температуре, соответствующей -Т.., при помощи переменного резиДАСЧ КС

стора 28 устанавливается падение напряжения на резисторе 26, величина которого определяется из условия

U,, (n+1)-J (Тл,акс-Т„ер) (11) I где - падение напряжения на

резисторе 26,

У 2мВ/град - температурный коэффициент напряжения база- эмиттер,

макс максимальная температура,

Т g - температура переключения .

Регулировкой резистора 26 устанавливают ток коллектора I зели- чина которого определяется следукнцим образом:

-к-гз wo кс макс -К24 макс ;

где 1к 2зма1сс -Wwanc кг макс токи соответствующие максимальной температуре.

Далее регулировкой резистра 29 устанавливают падение напряжения на резисторе 27 из условия

и (13)

где К - температурный коэффициент, характеризующий наклон зависимости 50 (9) на участке от Т„„„ до и имеющий, размерность %/град.

Регулировкой резистора 27 уста- (10) навливают ток коллектора I «24/какг условия (12).

Следует отметить, что настройку (схемы фиг. 4) не обяз ательно каждый раз проводить при Тд , а достаточно, используя методы статистического анализа, определить средний наклон

зависимости (9) на участках от Т до Т„ и от Т„еу до Т„,, а настройку производить в нормальньк условиях.

в большинстве случаев практического использования коэффициента усиления каскад логарифмического усилителя выбирается равным 10 дБ.

В режиме ограничения, когда выполняется усхговие

б. (17)

DI

усилитель-ограничитель работает следующим образом.

При подаче на вход усилителя-ограничителя положительного напряжения потенциал эмиттера транзистора 1 увеличивается, ток через резистор 9 возрастает. Максимальная величина положительной полуволны этого тока ограничена величиной тока через резистор А, следовательно, максимальный уровень положительной полуволны сигнала на эмиттере транзистора 1 : определяется выражением ,t

- 1э( г

(18)

где I - ток через транзистор 1 в режиме покоя, равный току через резистор 4 (напряжение на резисторе 3 в режиме покоя равно нулю). Максимальная величина отрицательной полуволны напряжения на резисторе 3 определяется выражением

и

91

01

(19)

где и - уровень отрицательной полуволны входного сигнала, и ограничена отрицательным напряжением источника питания и максимальным током коллектора транзистора 1, т.е. является величиной гораздо большей, чем реальные сигналы, поступающие на вход усилителя-ограничителя.

Таким образом, на базу транзисто- |ра 2 поступает сигнал, максимальное значение положительной полуволны которого ограничено значением U .

Сопротивление резистора 5 и положительное напряжение источника питания выбираются таким образом, чтобы при сигнале на базе транзистора 2, равном и,, , этот транзистор работал в линейном режиме и не входил в насьщение, коэффициент усиления определяется из выражения (4).

Следовательно, максимальное значение отрицательной полуволны выходного напряжения определяется выражением

и

Bbix

I, RV KO,

(20)

Отрицательная полуволна сигнала на базе транзистора 2, определяемая из

выражения (19), уменьшает потенциал его змиттера, величина тока, отбираемая от источника 7 стабильного тока, тоже уменьшается (ток перераспределяется в цепь транзисторов 10,

11 в диодном включении) и при некотором входном сигнале эта величина тока становится равной нулю - ток через транзистор 9 в диодном включении прекращается (отсечка тока).

Из-за наличия источника 8 ток эмиттера транзистора 2 не уменьшается до нуля, а становится равным току IJQ . Величина этого тока выбирается из условия линейного режима работы транзистора 2.

В режиме покоя без сигнала ток в цепи эмиттера транзистора 2 равен сумме токов I о э) таким образом, максимальное уменьшение тока эмиттеpa транзистора 2 равно току 1 при подаче на его базу отрицательного напряжения и максимальное значение положительной полуволны выходного напряжения определяется из выражения

, R5- (21)

Поскольку, кроме того, 159 R ,. и RJ от температуры практически не зависят, to стабильность уровня ограничения зависит в основном от стабильности К , т.е. от точности аппроксимации зависимости (9) и. не превьш1ает 3% в диапазоне температур

от -60°С до 100 С.

5

5

Таким образом, во всем динамичес- ком диапазоне выходных сигналов транзистор 2 работает в линейном режиме, отсечка тока эмиттера и насьпцение отсутствует, а это значит, что стабилизируются фазовые характеристики усилителя-ограничителя.

При реализации логарифмического усилителя на основе данного усилителя-ограничителя питание всех подобных каскадов логарифмического усилителя можно осуществить от одного источника 8 тока с переменным температурным коэффициентом, для этого

достаточно предусмотреть соответствующее , количество выходов источника 8.

Формула изобретения

Усилитель-ограничитель, содержащий входной транзистор, имеющий р-п-р-структуру и включенный по схе- ме с общим коллектором, эмиттер которого через первый резистор соединен с общей шиной, а база является входом усилителя-ограничителя и через злемент базового смещения соеди- нена с отрицательной шиной источника питания, выходной транзистор, имеющий п-р-п-структуру, база которого подключена к эмиттеру входного транзистора, эмиттер через токозада- ющий элемент соединен с отрицательной шиной источника питания, коллектор - с первым выводом нагрузочного резистора и является выходом усилителя ограничителя, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности фазовых характеристик температурной стабильности коэффициента усиления и уровня ограничения введены первый.

)iod

16

fl/5-L

I En Фиг. 2

второй и третий транзисторы в диодном включении, имеющие п-р-п-структуру, второй резистор и источник стабильного тока, причем источник питайия выполнен со средней точкой, соединенной с общей шиной, при этом эмиттер выходного транзистора через первый транзистор в диодном включении соединен с выходом источника стабильного тока, общий вывод которого подключен к отрицательной шине источника питания, при этом между общей шиной и выходом источника стабильного тока включены последовательно соединенные и прямосмещен- ные второй и третий транзисторы в диодном включении, причем токозада- ющий элемент выполнен в виде источника тока с переменным температурны коэффициентом с дополнительным выходом, подключенным к точке соединения второго и третьего транзисторов в диодном включении, второй вывод нагрузочного резистора подключен к положительной шине источника питания, к которой через второй резистор подключен эмиттер входного транзистора.

5ь/Ы 5/7 12

22

13

17

20

15

Фиг. 5

in

Нами hng gtixtg ГИл

Л ТИя Л,,

tHuKC

32nfl 1у02

32 пин

мин

л

макс