Усилитель переменного тока с регулируемым коэффициентом усиления Советский патент 1991 года по МПК H03G1/04 H03F3/45 

Изобретение относится к усилительной технике и может быть использовано в интегральных усилителях переменного тока, работающих от однополярных низковольтных источников питания.

Цель изобретения - повышение стабильности и уменьшение нелинейных искажений при низковольтном однополярном питании.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема предложенного усилителя; на фиг.2 - возможный вариант выполнения неинвертирующего оконечного усилителя.

Усилитель переменного тока содержит первый и второй дифференциальные каскады, выполненные соответственно на первом 1 и втором 2, третьем 3 и четвертом 4 транзисторах, отражатель 5 тока, неинвертирующий оконечный усилитель 6, дифференциальный регулятор 7, выполненный на первом - четвертом резисторах 8-11, пропорционально-интегрирующую RC-цепь 12 и блок 13 смешения, выполненный на двух равных резисторах 14 и эмиттерном повто рителе 15 со скомпенсированным напряжением смещения, резисторы 16 и 17.

Усилитель переменного тока работает следующим образом.

Входной сигнал Uax переменного тока преобразуется первым дифференциальным каскадом в разность токов

г

И - i2 a Hit h

(ЯУ«

2KTJгде а- коэффициент передачи эмиттерного тока первого 1 и второго 2 транзисторов;

К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

Выходной сигнал Увых переменного тока преобразуется вторым дифференциальным каскадом в разность токов

з- U a h2t h

(2)

25

где ft 1 - коэффициент отрицательной обратной связи (ООС) по переменному току,

10 реализуемый параметрами пропорционально-интегрирующей RC-цепи 12.

При этом пропорционально-интегрирующая RC-цепь 12 постоянной составляющей создает через третий 3 и четвертый 4

15 транзисторы для неинвертирующего оконечного усилителя б контур ООС по постоянному току с коэффициентом ООС, равным /Зо - 1. Статическое напряжение на базе четвертого транзистора 4 относитель20 но общей шины равно напряжению U2.3, т.е. первый и второй дифференциальные каскады работают в одинаковом режиме по постоянному и по переменному току. т.е. имеет место равенство

ивх ивых -р U4 - U2.3

(3)

В этих условиях уравниваются разности токов h - 12 и (з i4. За счет перекрестного

подключения коллекторных выводов первого и второго дифференциальных каскадов (1 и 3, 2 и 4) и с учетом токоинвертирующего действия отражателя 5 тока суммарный ток на входе неинвертирующего оконечного усилителя 6 соответствует разности

Д|-(И-12)-(1з-1а)

и выделяет на эквивалентном входном сопротивлении RBx6 сигнальное напряжение Јс переменного тока

Јc Ai Re

6

(5)

Учитывая, что неинвертирующий оконечный усилитель 6 обладает высокоомным входом и достаточно большим усилением по постоянному току (не менее 80 дБ), напряжение Јс можно считать близким к нулевому значению. Это соответствует равенству

Inth

/Uxq loth о (К

(ТкГГ 12 ь рЖГ Р (6)

которое может быть приведено к виду

ft

(7)

Из равенства (7) с очевидностью следует тепловая независимость свойств усилителя, а также взаимокомпенсация нелинейности в условиях равенства (3).

Таким образом, из (7) следует, что

11вых - UBx

In

112

т.е. коэффициент усиления входного сигнала UBX при Тп Ti2 равен 1 + - , а его

К17

электрическая коррекция (регулирование) осуществляется воздействием на токи In и 112 соответственно. Входной и выходной сигналы имеют общий уровень сдвига U2 з

Vn

2

Полезный эффект достигается следующим образом.

Благодаря глубокой ООС по постоянному току, которую обеспечивает пропорционально-интегрирующая RC-цепь 12. взаимно компенсируются нелинейности вольт-амперных характеристик первого и второго диф- фьренциальных каскадов на переменном токе, что показано равенством (6). Кроме того, собственные нелинейные искажения, вносимые неинвертирующим оконечным усилителем 6, ослабляются в 1+ А/ раз, где А - эффективное усиление в контуре ООС по переменному току, в пределах полосы пропускания. Низкоомный выход блока 13 смешения гальванически развязывает цепь входного и цепь выходного сигнала, однако ток в выходной цепи может во много раз превышать ток во входной цепи и способен выделить на выходном сопротивлении блока 13 смешения некоторое напряжение помехи. Оно воздействует на базы второго 2 и

третьего 3 транзисторов, но эффект его влияния устраняется вычитающим действием отражателя 5 тока и перекрестным включением коллекторных выводов транзисторов 5 первого и второго дифференциальных каскадов.

Наличие глубокой ООС по постоянному току позволяет компенсировать тепловую нестабильность устройства, что следует из

10 равенства (6). Вместе с тем равенство ивых 0,5 Vn сохраняется в условиях нестабильности однополярного питающего напряжения (саморазряд батареи питания) и позволяет выделить полезный выходной сиг15 нал на середине линейного участка характеристики по напряжению, что тоже способствует минимуму нелинейных искажений, особенно при низковольтных напряжениях, например, с учетом дрейфа от 1.5 до

20 1.2 В.

В итоге достигается совокупный эффект улучшения стабильности и линейности в сочетании с возможностью работы при одно- полярном низковольтном напряжении

25 питания, что весьма актуально для миниатюрных усилительных устройств с повышенной экономичностью и улучшенным качеством воспроизведения сигнала. Следствием этого является возможность регу

30 лировать усиление и амплитуду сигнала в нагрузке без существенного риска нелинейных искажений.

Выполнение эмиттерного повторителя 15 со скомпенсированным напряжением

35 смещения может быть различным. На фиг.1 он представлен, например, в виде двухка- скадного эмиттерного повторителя на транзисторах со взаимодополнительным типом проводимости, благодаря чему напряжение

40 + 0,5 Vn в высокоомной точке соединения резисторов 14 преобразуется практически без дополнительного смещения нуля в эквивалент источника напряжения +0, на выходе блока 13 смещения. Отражатель 5 тока

45 выполнен по известной двухтранзисторной схеме, а дифференциальный регулятор 7 выполнен дли обеспечения минимально-допустимого однополярного напряжения (до 1,5В) питания в виде двух пар деухрезисто50 рных цепочек. Подобное выполнение придает ему инвариантность в отношении физического носителя балансирующих сигналов - к его управляющим входам могут быть подключены источники напряжения.

55 источники тока или переменные резисторы на основе потенциометра.

Выполнение неинвертирующего оконечного усилителя 6 может быть многовариантным. На фиг.2 приведен простейший пример низковольтного аналога подобного

усилителя, который содержит согласующий эмиттерный повторитель, усилитель напряжения с динамической нагрузкой и оконечный усилитель мощности из комплементарных многоэмиттерных транзисторов, включен- ных по схеме с общим эмиттером относительно шины питания и общей шины. В любой ветви подобного усилителя включено не более двух транзисторов, работа которых в усилительном режиме позволяет снизить номинальное питающее напряжение до уровня 1,5 В, а выходной сигнал переменного тока выделять на уровне половины этого напряжения.

Формула изобретения Усилитель переменного тока с регулируемым коэффициентом усиления, содержащий первый и второй дифференциальные каскады, выполненные соответственно на первом и втором, третьем и четвертом транзисторах, отражатель тока, общий вывод которого подключен к шине питания, неинвертирующий оконечный усилитель, а также дифференциальный регулятор, вы- полненный с первым и вторым управляющими входами, с первым и вторым токовыми выходами, подключенными к точкам соединения эмиттеров транзисторов соответствующих дифференциальных каскадов, а также с общим выводом, подключенным к общей шине, при этом базы второго и третьего транзисторов объединены, коллекторы второго и четвертого транзисторов также объединены, коллекторы первого и третьего транзисторов подключены к входу отражателя тока, выход которого подключен к входу неинвертирующего оконечного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности и уменьшения нелинейных искажений при низковольтном однополярном питании, введена пропорционально-интегрирующая RC-цепь и блок смещения, выполненный в виде двух равных резисторов, включенных последовательно между шиной питания и общей шиной, и эмиттерного повторителя со скомпенсированным напряжением смещения, вход которого подключен к точке соединения резисторов, а выход - к объединенным базам второго и третьего транзисторов, дифференциальный регулятор выполнен в виде последовательно соединенных первого и второго, третьего и четвертого резисторов, точки соединения первых выводов которых являются соответственно его первым и вторым управляющим входами, вторые выводы первого и третьего резистора - соответственно его первым и вторым токовыми выходами, объединенные вторые выводы второго и четвертого резисторов - его общим выводом, коллектор второго транзистора подключен к входу неинвертирующего оконечного усилителя, выход которого через пропорционально-интегрирующую RC-цепь соединен с базой четвертого транзистора, причем выход неинвертирующего оконечного усилителя и база третьего транзистора являются полюсами двухполюсного выхода устройства, а базы первого и второго транзисторов - полюсами его двухполюсного входа.

Изобретение относится к усилительной технике. Цель изобретения - повышение стабильности и уменьшение нелинейных искажений при низковольтном однополяр- ном питании. Усилитель переменного тока с регулируемым коэффициентом усиления содержит первый и второй дифференциальные каскады, выполненные с перекрестным включением коллекторных выводов, отражатель тока 5. неинвертирующий оконечный усилитель 6, дифференциальный регулятор 7, пропорционально-интегрирующую Re-цепь 12 и блок смещения 13. За счет глубокой отрицательной связи по постоянному току

+ Уп