Усилитель Советский патент 1990 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для усиления электрических сигналов с высоким быстродействием в системах с ограниченным ресурсом питания.

Цель изобретения - увеличение точности передачи формы быстроизменяю- щихся сигналов.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема усилителя.

Усилитель содержит первый 1, второй 2 транзисторы n-p-n-типа, третий 3, четвертый 4 транзисторы p-n-p-типа, первый 5, второй 6tрезисторы, пятый 7, шестой 8 транзис- %торы n-p-n-типа, источник 9 смеще- ния, первый управляемый источник 10 тока, элемент 11 смещения, второй управляемый источник 12 тока, выходной каскад 13, выполненный на седьмо 14 и восьмом 15 транзисторах р-п-р- и п-p-n-типа соответственно, двухтактном усилителе тока, а также первый 16 и второй 17 транзисторы n-p-n-типа динамической нагрузки, резистор 18 и конденсатор 19.

Усилитель работает следующим образом.

При включении усилителя с ООС входной каскад предлагаемой структуры обладает лучшими характеристикам установления выходного напряжения и значительно меньше искажает сигналы, имеющие высокую скорость нарастания. Эти искажения связаны с наличием положительной обратной связи (ПОС) в структуре входного каскада, замыкающейся через первый управляемый источник 10 тока на базу транзистора 8. ПОС включается только при подаче положительных перепадов напряжения, а поэтому искаженными оказываются передние фронты и прилегающая к ним часть вершины положительных импульсов. Возникновение искажений объясняется задержкой выключения ПОС из-за паразитных емкостей схемы, однако1в предлагаемом усилителе эти искажения проявляются в значительно меньшей степени.

В усилителе число диодов в источнике 9 смещения равно трем. Такое количество диодов позволяет обеспечить начальные токи смещения во всех транзисторах входного каскада, вследствие чего гарантируется его высокая линейность при любом включении

5

0

5

0

5

0

5

0

5

усилителя. При этом в момент уравновешивания весь избыточный ток ПОС поступает в базу транзистора 7, выходной ток управляемого источника 12 тока быстро увеличивается, что приводит к значительному ускорению выключения ПОС. В результате задержка выключения ПОС во входном каскаде предлагаемого усилителя оказывается в несколько раз меньшей, чем в известном усилителе. Вследствие этого существенно уменьшается амплитуда выбросов и повышается частота колебательного процесса. Возрастание частоты искажений способствует их дополнительному ослаблению на выходе усилителя из-за ограниченности час- тотных свойств выходного каскада 13. Дальнейшее ослабление нелинейной составляющей осуществляется с помощью конденсатора емкостью 10-30 пФ, включаемого между объединенными эмиттерами транзисторов 1 и 2 и выходом управляемого источника 10 тока. В результате входной каскад усилителя практически не вносит искажений, |связанных с наличием ПОС, как при передаче импульсных, так и при передаче синусоидальных сигналов. Это позволяет значительно увеличить точность воспроизводимых форм сигнала на выходе усилителя в широкой полосе частот.

Однако такое улучшение точности при передаче сигналов с высокой скоростью нарастания при минимальной потребляемой мощности возможно лишь при использовании входного каскада совместно с выходным каскадом 13. Это объясняется тем, что из-за необходимости соединения коллекторов транзисторов 3 и 8 с входами управляемых источников 10 и 12 входной каскад может содержать отдельные элементы нагрузки только в коллекторных цепях транзисторов У и 4. Если при этом неинвертирующим входом усилителя являются объединенные базы транзисторов 1 и 3, то выходной каскад должен быть неинвертиругощим. Однако такие выходные каскады при малой потребляемой мощности обладают или исключительно плохими частотными свойствами, или неприемлемо низким быстродействием, поэтому в подавляющем большинстве известных усилителей используются выходные каскады, осуществляющие инверсию сигнала. При использовании выход

ных каскадов такого типа в предлагаемом усилителе неинвертирующим входом его входного каскада могут быть только объединенные базы транзисторов 2 и 4, а инвертирующим - базы транзисторов 1 и 3. В таком виде усилитель вполне работоспособен практически с любыми известными выходными каскадами, но только в диапазоне низких частот и в режиме малого сигнала.

При увеличении скорости нарастания входного напряжения режим усилителя скачкообразно становится неустойчивым и сигнал на его выходе полностью искажается. Это объясняется тем, что петлей внутренней ПОС во входном каскаде и цепью внешней ООС, соединяющей в рассматриваемом варианте усилителя его выход с базами транзисторов 1 и 3, охвачены два разных независимых контура. Положительной обратной связью охвачены транзисторы 4 и 8 через управляемый источник 1 и тока, а ООС замыкается через транзисторы 3 и 7, выходной каскад 13 и внешнюю цепь обратной связи. Вследствие этого ООС никак не ограничивает глубину ПОС при увеличении дифференциального сигнала между входами усилителя больше некоторой величины, что соответствует переходу в режим большого сигнала, усилитель становится неустойчивым, а форма передаваемого сигнала полностью искажается.

Следовательно, для реализации цели изобретения необходимо, чтобы входной |каскад усилителя имел фазировку входов, показанную на чертеже, а выходной каскад был бы инвертирующим. В таком случае цепь ПОС оказывается охваченной петлей внешней ООС, а поэтому связанные с ней искажения сигнала значительно ослабляются. Однако при этом выходами входного каскада

13могут быть только коллекторы транзисторов 3 и 8, которые соединены

с входами управляемых источников 1U и 12 тока. Такое соединение является необходимым, а поэтому использовать выходные каскады, применяемые обычно в известных усилителях, в данном случае невозможно. При этом единственным вариантом выходного каскада 13, позволяющим реализовать цель изобретения, является структура, показанная на чертеже. Транзисторы

14и 15 выходного каскада 13 выполнят ются согласованными с диодами управ

10

15

20

25

JQ

35

40

45

50

5

ляемых источников 10 и 12 тока, что позволяет передать сигнал с выходов входного каскада на выход усилителя с минимальными искажениями даже при очень высоких скоростях нарастания входного сигнала. Кроме того, частотные свойства применяемого выходного каскада 13 весьма близки к частотным характеристикам в петле ПОС, что является необходимым условием эффективного подавления искажений, возникающих из-за наличия ПОС, с помощью внешней петли ООС при минимальной потребляемой мощности.

Коллекторы транзисторов 1 и 2 должны быть подключены к положительной шине питания. Возможно непосредственное соединение, однако показанное на чертеже соединение через транзисторы 16 и 17 позволяет обеспечить минимальную емкость, приведенную к входам усилителя.

Необходимость соединения коллекторов транзисторов 1 и 2 с шиной питания для увеличения точности определяется следующим. Известно, что высокая точность любого усилителя с дифференциальным входом обеспечивается только в том случае, если при дифференциальном сигнале, равном нулю, потенциал на выходе усилителя также равен нулю. Такое условие при соединении коллекторов транзисторов 1 и 2 с эмиттерами транзисторов 7 и 8 выполнить невозможно, поскольку на вход управляемого источника 10 тока в таком случае поступал бы ток, равный сумме коллекторного тока транзистора 1 и эмиттерного тока транзистора 4, а на вход управляемого источника 12 тока - только коллекторный ток транзистора 3, равный при отсутствии дифференциального сигнала эмиттерному току транзистора 4. Поскольку параметры интегральных p-n-р- и п-р-п- транзисторов никак не согласуются друг с другом, токи, поступающие на входы обоих управляемых источников - 10 и 12 тока, в таком случае оказываются непредсказуемо различными, а поэтому разными оказываются коллекторные токи транзисторов 14 и 15 выходного каскада 13. Чтобы в таких условиях потенциал на выходе усилителя стал равным нулю, эти токи необходимо уравнять, что может быть обеспечено только за счет подачи на неинвертирующий вход усилителя отрицательного

напряжения, эквивалентного напряжению сдвига, причем эта ошибка проявляется как в статике, так и в режиме большого сигнала. Для устранения это- го недостатка в предлагаемом усилителе коллекторы транзисторов 1 и 2 соединены с шиной питания, при этом токи, поступающие на входы управляемых источников 10 и 12 тока, оказы- ваются одинаковыми, поскольку при отсутствии дифференциального сигнала коллекторные токи транзисторов 3, 7 и 4, 8 при их взаимной согласованнос- TJH равны. При этом ошибка дополни- тельного сдвига на входе усилителя отсутствует, а транзисторы 1 и 2 вообще не используются для усиления и лишь выполняют функции элементов сдвига уровня.

Элемент 11 смещения предназначен для задания начального режима смещения всех транзисторов усилителя. В данном случае используется наиболее простой вариант элемента 11 смещения, содержащий единственный резистор. Для реализации других целей элемент 11 смещения может иметь значительно более сложную структуру.

Резистор 18, включенный между объединенными эмиттерами транзисторов 1 и 2 и выходом управляемого источника 12 тока, позволяет уменьшить начальный ток смещения этих транзисторов.

Формула изобретения

1. Усилитель, содержащий входной каскад, выполненный на первом и вто- ром транзисторах n-p-n-типа, базы которых являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим входами усилителя, третьем и четвертом транзисторах p-n-p-типа, базы которых соединены с базами первого и второго транзисторов n-p-n-типа соответственно, пятом и шестом транзисторах П-р-п-типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами соответст- венно первого и второго транзисторов n-p-n-типа, а базы подключены к пер- «ому выводу источника смещения и к выходу первого управляемого источника тока, общий вывод которого подклю- чен к положительной шине источника питания, при этом коллектор третьего

транзистора p-n-p-типа соединен с входом второго управляемого источника тока, общий вывод которого подключен к отрицательной шине источника питания, а выход - к эмиттерам первого и второго транзисторов п-р-п-типа, выходной каскад, выполненный на седьмом и восьмом транзисторах p-n-р- и n-p-n-типов соответственно, включенных по схеме с общим эмиттером, и двухтактном усилителе тока, вход которого соединен с коллектором седьмого и восьмого транзисторов p-n-р- и n-p-n-типов соответственно, а выход является выходом усилителя, при этом базы седьмого и восьмого транзисторов p-n-р- и n-p-n-типов соответственно соединены через элемент смещения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности передачи формы быстроизменяющихся сигналов, эмиттеры третьего и четвертого транзисторов p-n-p-типа соединены с вторыми выводами соответственно первого и второго резисторов, коллекторы пятого и четвертого транзисторов п-р-п- и р п р типов соответственно подключены к положительной и отрицательной шинам источника питания соответственно, коллектор шестого транзистора n-p-n-типа подключен к входу первого управляемого источника тока и к базе седьмого транзистора p-n-p-ткпа, база восьмого транзистора n-p-n-типа сое- йинена с входом второго управляемого источника тока, выход которого подключен к второму выводу источника смещения, при этом коллекторы первого и второго транзисторов п-р-п-типа подключены к положительной шине источника питания.

2.Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что коллекторы первого и второго транзисторов п-р-п- типа подключены к положительной шине источника питания через введенные соответственно первый и второй транзисторы n-p-n-типа, базы которых подключены к выходу первого управляемого источника тока.

3.Усилитель по пп. 1 и 2, о т - личающийся тем, что источник смещения выполнен на трех диодах, включенных последовательно в прямом- направлении.

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - увеличение точности передачи формы быстроизменяющихся сигналов. Усилитель содержит входной каскад, выполненный на транзисторах 1-4, 7 и 8 и резисторах 5, 6 и 18, источник 9 смещения, управляемые источники 10 и 12 тока, эл-т смещения 11 и выходной каскад 13, выполненный на транзисторах 14 и 15 и двухтактном усилителе тока, а также транзисторы 16 и 17 динамической нагрузки и конденсатор 19. В предлагаемом усилителе входной каскад практически не вносит искажений, связанных с наличием положительной обратной связи, как при передаче импульсных, так и при передаче синусоидальных сигналов. Это позволяет значительно увеличить точность воспроизводимых форм сигнала на выходе усилителя в широкой полосе частот. Однако такое улучшение точности при передаче сигналов с высокой скоростью нарастания при минимальной потребляемой мощности возможно лишь при использовании входного каскада совместно с выходным каскадом 13. Цель достигается тем, что входной каскад имеет фазировку входов, а выходной каскад 13 является инвертирующим. Усилитель по пп.2 и 3 ф-лы отличается введением транзисторов 16 и 17 и выполнением источника 9 на трех диодах. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.