Дифференциальный усилитель Советский патент 1990 года по МПК H03F3/45 

-о

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться как усилительный элемент в компараторах и широкополосных операционных усилите- лях.

Цель изобретения - увеличение малосигнальной площади усиления.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схемй дифференциально- го усилителя ; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема одной из возможных реализаций дифференциального усилителя. - Дифференциальный усилитель содер- жит входную цепь смещения (фиг.1) ил входной каскад (фиг.2) 1, первый и второй элементы 2 и 3 нагрузки, усилительный каскад 4, образованный первым и вторым транзисторами 5 и 6 п - р - n-типа, диодом 7, третьим транзистором 8 р - п - р-типа и токо задающим плементом 9, диодную цепочку 10, симметрирующую цепь 11.

Диодная цепочка 10(фиг.2) выпол- йена на одном дополнительном диоде 12 (может быть выполнена на двух последовательно включенных диодах).

Дифференциальный усилитель работа рт следующим образом.

Усилительный каскад 4 (фиг.2) охвчен положительной обратной связью (ПОС), замыкающейся по следующей цепи: первый транзистор 5, диод 7, третий транзистор 8 (считаем, что коллектор этого транзистора замкнут на внешнюю нагрузку), второй транзистор 6, дополнительный диод 12, первый элемент 2 нагрузки, база первого транзистора 5. Напряжение ПОС выделяется на дополнительном диоде 12 и полностью прикладывается к базе первого транзистора 5, поскольку в реальных условиях входное сопротивление усилительного каскада 4 со стороны базы первого транзистора 5 намного превышает сопротивление первого элемента 2 нагрузки. Следовательно, глубина НОС равна единице. Для того, чтобы определить коэффициент передачи по напряжению в петле ПОС, условно отсоединим базу первого транзистора 5 от первого элемента 2 нагрузки и подадим на него такое постоянное смещение, чтобы режим усилителя по постоянному току остался неизменным. Теперь относительно этого значения подадим на базу транзистора 5 малое приращение напряжения ДП. Поскольку

базовый ток третьего транзистора 8 по сравнению с выходным током токо- задающего элемента 9 пренебрежимо мал, напряжение смещения базоэмит- терного перехода первого транзистора 5 и диода 7 постоянно и не .зависит от ли. Поэтому ди распределится поровну между базоэмиттерными переходами второго транзистора 6 и третьего транзистора 8 (подразумевается что оба эти транзистора, а также диод 12 выполнены из одного материала, например кремния). Изменение напряжения на базоэмиттерных переходах этих транзисторов приведет к изменению их коллекторного тока и, соответственно, тока, протекающего через диод 12.

Допустим, что в качестве этого диода используется одиночный транзистор в диодном включении. Поскольку транзисторы 6, 8 и диод 12 работают при одинаковом токе начального смещения, изменение напряже« . на этом диоде при наличии сигнала будет равно изменению напряжения на базоэмит- терном переходе любого из этих транзисторов, т.е. Л11/2. Так как этот сигнал практически не ослабляется первым элементом 2 нагрузки, то коэффициент передачи в петле ПОС равен

К

Un

дивых 4U/2

ГГГ /ITT - и,э.

ди

бх

/аи

Для определения коэффициента передачи при замкнутой петле ПОС воспользуемся известным соотношением

Ки

1 ., Т I iV

и„

(Ь

пос

2z5 1 1-0,5-1

Таким образом, при замкнутой петле ПОС коэффициент усиления как по напряжению, так и по току, протекающему через диод 12 и вытекающему с выхода усилителя, возрастают в два раза, что соответствует увеличению крутизны передачи в усилительном каскаде 4 усилителя до уровня, обеспечиваемого обычным дифференциальным усилителем при равной потребляемой мощности.

При использовании в качестве диодной цепочки 10 двух транзисторов в диодном включении в соответствии с вышеизложенным К у становится равным единице, а К у теоретически становится равным бесконечности. Однако коэффициент усиления в петле ПОС в такой схеме всегда остается несколько меньшим единицы, что связано с конечным усилением биполярных транзисторов по току. Поэтому предлагаемый усилитель независимо от разброса параметров входящих в схему элементов всегда сохраняет устойчивость. Коэффициент его усиления на постоянном токе возрастает примерно в Вст/2, где В&т - коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ используемых транзисторов. При этом по коэффициенту усиления на постоянном токе предлагаемый усилитель становится практически эквивалентным варианту с повторителем тока в качестве нагрузки входного каскада 1, причем его уникальным свойством является очень слабая зависимость коэффициента усиления от величины сопротивления элементов 2, 3 нагрузки.

Однако по сравнению с усилителем, в котором в качестве нагрузки используется повторитель тока, в предлагаемом усилителе элементы 2, 3 нагрузки не вносят дополнительную емкость, в результате чего широкополосность усилителя возрастает. Частотные свойства транзисторов, которые используются для реализации диодной цепочки 10 и эмиттерного повторителя, также слабо влияют на результирующую широкополосность, так как при больших токах смещения в обоих каскадах усилителя широкополосность транзисторов со 100%-ной ООС по току или напряжению существенно превышает частоту единичного усиления усилителя, а при малом токе .смещения входного каскада 1 эмиттерные повторители (фиг.2) могут быть исключены и оба элемента 2.

ф

3 нагрузки в этом случае соединяются

непосредственно с коллекторами транзисторов 5, 6.

Для обеспечения высокой точности усилителя по входу нагрузка входного каскада 1 (фиг.2) должна обеспечивать в урав- повешенном режиме симметрию по току и напряжению. Поскольку при введении диодной цепочки 10 такое условие нарушается, последовательно с вторым эле

0

5

5

ментом 3 нагруз-ки включена симметрирующая цепь 11.

г

Формула изобретения

1.Дифференциальный усилитель, содержащий первый и второй транзисторы п - р - п-типа, базы которых соединены с первыми выводами первого и второго элементов нагрузки и являются первым и вторым входами усилителясоответственно, причем эмиттер первого транзистора п - р - n-типа через диод подключен к точке соединения выхода токозадающего элемента и базы третьего транзистора р - п - р-типа, коллектор которого является выходом усилителя, а эмиттер соединен с эмиттером второго транзистора п - р - п-типа,

о тличающийся тем, что, с целью увеличения малосигнальной площади усиления, в него введены симметрирующая цепь и диодная цепочка, ко- 5 торая включена между положительной шиной питания и коллектором второго транзистора п - р - п-типа, второй вывод первого элемента нагрузки соединен с коллектором второго транзистора п - р - п-типа, при этом коллектор первого транзистора п - р - п-типа подключен к положительной шине, а второй вывод второго элемента нагрузки через симметрирующую цепь подключен к положительной шине питания.

2.Усилитель поп.1, отличающийся тем, что коллектор второго транзистора р - п - р-типа с вторым выводом первого элемента нагрузки, а симметрирующая цепь с вторым выводом второго элемента нагрузки соединены через повторители напряжения.

3.Усилитель по п.2, отличающийся тем, что симметрирующая цепь выполнена в виде диодной цепоч0

5

0

ки, включенной между положительной шиной питания и коллектором первого транзистора п - р - п-типа.

4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что симметрирующая цепь выполнена в виде входной цепи отражателя тока, выход которого подключен к второму выводу первого элемента нагрузки.

,11

-Е

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - увеличение малосигнальной площади усиления. Дифференциальный усилитель содержит входную цепь смещения 1, эл-ты нагрузки 2 и 3, усилительный каскад 4, образованный транзисторами 5 и 6 N-P-N-типа, диодом 7, транзистором 8 P-N-P-типа и токозадающим эл-том 9. Цель достигается введением диодной цепочки 10 и симметрирующей цепи 11, с помощью которых при замкнутой петле положительной обратной связи коэф. усиления как по напряжению, так и по току возрастают в два раза. Усилитель по п. 2 ф-лы отличается введением повторителей напряжения, подключенных к элементам нагрузки 2 и 3. Усилитель по п п. 2 и 3 ф-лы отличается выполнением симметрирующей цепи в виде диодной цепочки, а также в виде входной цепи отражателя тока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фиг 2