Дифференциальный усилитель постоянного тока Советский патент 1977 года по МПК H03F3/34 H03F3/45 

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫ Иаобрегение относи гея к области электронных усилителей и может быть использ вано для намерения и преобразования слабых электрических сигналов в диапазоне частот от нуля до десятков килогерц и более. Известны дифференциальные усилители постоянного тока, которые содержат по крайней мере, два танзисгора, внутренние сопротивления которых и коллекторные резисторы образуют четыре плеча уравновешенного моста, для стабилизации режима работы транзисторов их эмигтеры через эмиттерные резисторы подключены к токостабилизирующему резистору. Существенным недостатком таких дифференциальных усилителей является низкая временная и температурная стабильность и чувствительность, не позволяющие различать и усиливать слабые электрические сигналы порядка гданиц и десятков микровольт. Наиболее близким к предлагаемому усн- лителю является дифференциальный усилитель, выполненный на двух транзисторах о ЛИТЕЛЬ ПСЮТОЯНЬЮГО А нового каскада, базы KOTO{ jix соеданены со входами, а колпектчэры - с выходом усилителя. Однако такой усилитель характе{жзует ся дрейфом коэффициента передачи по уснпению, особенно в диапазоне температур 1 50°С. Целью изобротения является повышение стабильности работы устройства. Для этого в него введены два дополннгельнык усипительных каскада на tl транзисторах той же проводимости, что и транзисторы основного каскада, причем базы транзисторов каждого из дополнительных усилительных каскадов через резистивный делитель напряжения соединены с коллектором одного из транзисторов основного каскада, а коллекторы - с коллектором другого транзистора основного каскада, при этом коэффициент передачи каждого иа делителей напряжения обратно пропорционален коэффициенту усиления напряжения на выхо усилителя. На черте «« изображена схема дифференциального усилителя постоянного тока. Предлагаемый ;усилигепь включает два транзистора 1 и 2 основног каскада, внут ренние сопротивления которых совместно с коллекторными нагрузками 3 и 4 образуют четыре плеча мостовой схемы. Для сгабилизадии режима работы транзисторов 1 и 2 основного каскада, их эмиттеры через эмигтерные резисторы 5 и 6 подключены к токостабилиаирующему резистору 7, Базы транзисторов 1 и 2 основного каскада составляют вход усилителя 8-9 а коллекторы - выход усилителя 10-11, к которому подключена выходная нагрузка 12 Усилитель содержит также два дополнительных усилительных каскада, каждый из которых включает п транзисторов 13- 2О. одинаковой проводимости с транзисторами 1 и 2 основного каскада. Коллекторы транзисторов 13-16 непосредственно подключены к коллектору транзистора 2, а базы транзисторов с помощью дели теля напряжения на резисторах 21 и 22 подключены к коллектору транзистора 1, Коллекторы транзисторов 17-20 непосредственно подключены к коллектору транзист ра 1, а базы транзисторов 17-2О с помощью делителя напряжения на резисторах 23 и 24 подключены к коллектору транзис тора 2. При этом коэффициент передачи делителей напряжения 21, 22 и 23, 24 должен быть выбран обратно пропорциональ ным коэффициенту усиления по напряжению на выходе усилителя. Эмиттеры транзисторов 13-16 и 17-2О дополнительных усилитель ных каскадов, через эмиттерные резисторы соответственно 25-28 и 29-32 поддслк чены к .токостабилизирующему резистору 7, Дифференциальный усилитель постоянного тока работает следующим образом. Полезный сигнал D;g, поступающий в противофазе на вход усилителя 8-9, усиливается и выделяется на коллекторных нагрузках 3 и 4, и затем через делители напряжения на резисторах 21, 22 и 23, 24 также в противофазе поступает соо.тветсгве но-на базы транзисторов 13-16 и 17-20 дополнительных усилительных каскадов. Коэфс)ициент передачи напряжения делителей 21-24 выбираетх я из соотноше1П1я обратной пропорциональности коэффициенту усиления К ц : Благодаря этому полезное напряжение на базах транзисторов 13-16 и 17-20 дополнительных усилительных каскадов по фазе и амплигуде совпадает с полезным сигналом соответственно на базах транзисторов 2 и 1 основного каскада, а выходное напряжение транзисторов 2 и 1 основного каскада совпадает по фазе и амплигуде с выходньГм напряжением соответственно транзисторов 13-16 и 17-20 дополнительных усилительных каскадов, каждое из которых равно ВЫХ li46,l7-2o Bx J:4 UH - - 5 где ц - коэффициент усиления по напряжению каждого из и транзисторов дополнительных цепей. Тогда полезное напряжение на каждом из выходов усилителя 10 и 11 по модулю в абсолютнь1х единицах можно представить следующим выражением: /Sb,x,o,i./ UBx- , Ю.пр Преобразуем (3) при условии (1) к ив,(иЧ)К.,.. N) Напряжение на выходной нагрузке 12 равно ивь,х..,,,,/(5J соответственно коэффициент усиления по апряжению для полезного сигнала равен -ii + Hti Дрейф на каждом из выходов 1О, 11 дифференциального усилителя посЧа,Р.Ю,м тоянного тока можно выразить следующими равенствами; mi Ар. 10 k 3I; . к 11 Т Г 1 д-р и АРКИ AplO и где Пдр н., - дрейф тока коллектора кес-кдого из транзисторов. Каждое из значений J .- J, можно представить статистическими соотношениями. ЗАР.КГ,,Р-Л,Р ,f9) где т, ftip- математические ожидания статистического ряда значений Зд соотвегственно транзисторов 17-20 и 13-16 (в каждом ряду соответственно М + 1 значение ); сс ,(Хр - отклонения значений 3, от математического ожидания т. m р . После подстановки (1) и (8) в (7) по-. лучим (при Т) R ч/ wг Y4-1M4i I SiVK.-,Ap...) . оторое преобразуется к виду AP.. ,jUi} АР« .i AP. После подстановки (9) в (11) к прео разования правой части равенсгва получи следующее выражение иАРю,и ТЛ|Л1()(0 /Гж ttii H+i н гак как 21 ct 0,Z , на основании оп ределенияцен трального момента первого порядка. На основании обобщенной теоремы Чеб шева имеем f+i i I. Ши ttir где С - сколь угодно малое положитель ное число.; Тогда получим, что дрейф на каждом из выходов Ю, 11 (аналогично преобразуется и выражение (8) определяется сл дующим выражением V.o,,.(«-0-e Дрейф, приведенный ко входу усилител можно определить как (H iXEi-e-J Ci-Sa АР-ВХ (и-1)- к где Sj и &J,- сколь угодно малые числа соогветственно выражений (8) и (7) после преобразования. Таким образом, дрейф U,, Дифференциальшэго усилителя постоянного; ток а стр мится к нулю с ростом числа транзистор дополнительных усилительных каскадов h АР.ВХ К гае (У - сколь угодно малое положительн число, определяемое как ,-е, Это эквивалентно достижению высокой стабильности и чувствительности дифферен- циального усилителя постоянного тока, позволяющего усиливать с высокой точностью малые сигналы в диапазоне частот от О до десятков килогерц. При этом дополнительные усилительные каскады усилителя не потребляют. энергию источника входного сигнала. Испытания трех образцов дифференциальных усилителей постоянного тока, построенных по предложенной схеме на 10 гранзнсторах КТ315Г, дали следующие результаты: К 2500, TRg ЗОО-45О кОм, UAP.BX/ 0,7 - 1,5 мкВ/С., -. Т. е. стабильность и чувствительность дифференциального усилителя постоянного тока, по крайней мере, на порядок выше, чем у известного усилителя. Амплитудно-фазовые характеристики и расчет устойчивости предлагаемого усилителя дали коэффициент запаса устойчивое Зап и Загт Предлагаемый дифференциальный усилитель постоянного тока может применяться в входных каскадах высокочувствительных приборов контроля и измерения, в интегральной технике и операционных усилителях. Формула изобретения Дифференциальный усилитель постоянного тока, выполненный на двух транзисторах основного каскада, базы которых соединены со входами, а коллекторы с выходом усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности, в него введены два дополнительных усилительных каскада на п транзисторах той же Проводимости, что и транзисторы основ«ого каскада, причем базы т занзисторов каждого из дополнительных усилительных каскадов через резистивный делитель напряжения соединены с коллектором одного из транзистотхэв основного каскада, а коллекторы - с коллектором другого транзистора основного каскада, при этом коэф4ицивнт передачи каждого из делителей напряжения обратно пропорционален коэффициенту усиления напряжения на выходе усилителя.