Устройство регулирования уровня сигнала

 

1. УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛА, содержащее последовательно соединенные первый логарифмический усилитель и первый антилогарифмирующий транзистор, последовательно соединенные второй логарифмический усилитель и второй антилогарифмирующий транзистор, причем каждый логарифмический усилитель образован соответствующим операционным усилителем с дополнительным транзистором в цепи отрицательной обратной связи, при этом базы дополнительных транзисторов являются управляющим входом устройства, отличающееся тем, что, с целью уменьшения уровня шума, в него введены первый инвертирующий усилитель, подключенный к выходу первого антилогарифмирующего транзистора, второй инвертирующий усилитель, включенный между выходом второго антилогарифмирующего транзистора и входом первого инвертирующего усилителя, а также первый и второй четырехполюсники, входы второго четырехполюсника подключены к входу и выходу первого четырехцолюсника . выходы - к входам первого и второго логарифмических усилителей соответственно, при этом один из четырехполюсников выполнен нелинейньм. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый четырехполюсник выполнен в В1аде первого дополнительного инвертирзпощего усилителя, а второй четырехполюсник - в виде соединенный последовательно встррчно первого и второго лиодов, первые выводы которых являются соответствующими входами -второго четьфехполюсника, параллельно каждому диоду включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, Сточка соединения которых является соответствующим выходом второго четырехполюсника; 3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый четырехполюсник содержит входной резистивный делитель напряжения, к отводу которого подключен неинHffiei вертирующий вход первого дополнительного операционного усилителя с 4 дополнительным диодом в цепи отрицательной обратной связи, к выходу первого дополнительного операционного 01 усилителя подключены последовательно со соединенные дополнительный анти- . .логарифмирующий транзистор и второй дополнительный инвертирующий усили- . тель с первым дополнительным резистором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого является выходом первого четьфехполюсника, инвертирующие входы первого дополнительного операционного усилителя и -второго дополнительного инвертирующего усилителя подключены к шине питания че

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСтИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

31511 Н 03 G 3/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОЬУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3430350/3569132/18-09 (22) 26.04.82 (23) 12.01.83 (46) 23.07.84. Бюл. № 27 (72) Э.П. Тарасов и С.B. Сидоров (53) 621.396.666(088.8) (56) 1. Патент Японии ¹ 55-49448, кл. Н 03 С 3/02, 1980.

2. Curtis D. А mondytic voltage—

controlled amplifier employing log—

angilog technigues. — "Journal of The

Enginuring Society, 1976, v. 24, № 2, р. 93-102. (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО РЕ ГУЛИРОВАНИЯ

УРОВНЯ СИГНАЛА, содержащее последо- . вательно соединенные первый логарифмический усилитель и первый антилогарифмирующий транзистор, последовательно соединенные второй логарифмический усилитель и второй антилогарифмирующий транзистор, причем каждый логарифмический усилитель образован соответствующим операционным усилителем с дополнительным транзистором в цепи отрицательной обратной связи, при этом базы дополнительных транзисторов являются управляющим входом устройства, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью уменьшения уровня шума, в него введены первый инвертирующий усилитель, подключенный к выходу первого антилогарифмирующего транзистора, второй инвертирующий усилитель, включенный между выходом второго антилогарифмирующего транзистора и входом первого инвертирующего усилителя, а также первый и второй четырехполюсники, входы второго четырехполюсника подключены к входу и выходу первого четырехполюсника. выходы — к входам первого и второго логарифмических усилителей соответственно, при этом один иэ четырехполюсников выполнен нелинейным.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что первый четырехполюсник выполнен в виде первого дополнительного инвертирующего

Ъ усилителя, а второй четырехполюсник — в виде соединенный последователъно встречно первого и второ о лиодов, первые выводы которых являются соответствующими входами второго четырехполюсника, параллельно каждому диоду включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, точка соединения которых является соответствующим выходом второго четырехполюсника;

3. Устройство по и. 1, о т л и- С ч а ю щ е е с я тем, что первый четырехполюсник содержит входной резистивный делитель напряжения, к отводу которого подключен неинвертирующий вход первого дополни- Фюй тельного операционного усилителя с 1, ) дополнительным диодом в цепи отрица- ф тельной обратной связи, к выходу пер- ф вого дополнительного операционного " усилителя подключены последовательно соединенные дополнительный антилогарифмирующий транзистор и второй дополнительный инвертирующий усилитель с первым дополнительным резистором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого является выходом первого четырехполюсника, инвертирующие входы первого дополнительного операционного усилителя и второго дополнительного инвертирующего усилителя подключены к шине питания че1104653 рез второй и третий дополнительные резисторы соответственно, а второй четырехполюсник выполнен в виде последовательно соединенных четвертого, пятого и,шестого дополнительных резисторов, при этом вывод четвертого дополнительного резистора и точка соединения пятого и шестого дополнительных резисторов являются соотИзобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах регулирования уровня сигнала, реализующих принцип электронного управления. 5

Известен, например, усилитель с переменным усилением, в котором используется дифференциальный каскад на транзисторах с управпяемым режимом смещения t 1).

Эти транзисторы вместе со вспомогательными цепями являются источниками шума, понизить уровень которого оказывается затруднительным.

Наиболее близким по технической 15 сущности к изобретению является устройство регулирования уровня !сигнала, содержащее последовательно соединенные первый логарифмический усилитель и первый антилогарифмирующий 20 транзистор, последовательно соединенные второй логарифмический усилитель и второй антилогарифмирующий транзистор, причем каждый логарифмический усилитель образовай соответствующим операционным усилителем с дополнительным транзистором в цепи отрицательной обратной связи, при этом базы дополнительных и антилогарифми- рующих транзисторов являются управ- 30 ляющими входами устройства 1 2 ).

Однако транзисторы в известной устройстве также являются основными источниками шума, причем практически равноценными, особенно при максималь- 35 ном коэффициенте передачи регулятора уровня (усилителя). Снижение уровня шума в известном устройстве путем, например, уменьшения тока оказывается неэффективным, так как приводит 40 к снижению усиления этих транзисторов по напряжению и возрастанию влияния Ы ветствующими входами второго четырехполюсника, а второй вывод шестого дополнительного резистора и точка соединения четвертого и пятого дополнительных резисторов являются соот) ветствующими выходами второго четырехполюсника.

Приоритет по пунктам:

26.04.S2 по пп. 1 и 2. шумов связанных с ними операционных усилителей.

Целью изобретения является уменьшение уровня шума.

Цель достигается тем, что в устройстве регулирования уровня сигнала, содержащем последовательно соединенные первый логарифмический усилитель и первый антилогарифмирующий транзистор, последовательно соединенные второй логарифмический усилитель и второй антилогарифмирующий транзистор, причем каждый логарифмический усилитель образован соответствующим ьэперационным усилителем с дополни-! тельным транзистором в цепи отрицательной обратной связи, при этом базы дополнительных транзисторов являются управляющим входом устройства

:введены первый инвертирующий усилитель, подключенный к выходу первого антилогарифмирующего транзистора, второй инвертирующий усилитель, включенный между выходом второго антилогарифмирующего транзистора и входом первого инвертирующего усилителя, а также первый и второй четырехполюсники, входы второго четырехполюсника подключены к входу и выходу первого четырехполюсника, выходы — к входам первого и второго логарифмических усилителей соответственно,при этом один из четырехполюсников выполнен нелинейным.

Кроме того, первый четырехполюсник выполнен в виде первого дополни- тельного инвертирующего усилителя, а второй четырехполюсник — в виде соединенных последовательно встречно первого и второго диодов, первые выводы которых являются соответствующи)

1 ми входами второго четырехполюсника, параллельно каждому диоду включены

53

3 11046 последовательно соединенные первый и второй резисторы, точка соединения которых является соответствующим выходом второго четырехполюсника.

При этом первый четырехполюсник

5 содержит входной резистивный делитель напряжения, к отводу которого подключен неинвертирующий вход первого дополнительного операционного усилителя с дополнительным диодом в цепи отрицательной обратной связи, к выходу первого дополнительногб операционного уснлителя подключены последовательно соединенные дополнитель15 ный антилогарифмирующий транзистор и второй дополнительный инвертирующий усилитель с первым дополнительным резистором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого явля20 ется выходом первого четырехполюсника, инвертирующие входы первого дополнительного операционного усилителя и второго дополнительного инвер.— тирующего усилителя подключены к

25 шине питания через второй и третий дополнительные резисторы соответственно, а второй четырезполюсник выполнен в виде последовательно соеди! ненных четвертого, пятого и шестого дополнительных резисторов, при этом

I вывод четвертого дополнительного резистора и точка соединения пятого и шестого дополнительных резисторов являются соответствующими входами второго четырехполюсника, а второй вывод шестого дополнительного резистора и точка соединения четвертого и пятого дополнительных резисторов являются соответствующими выходами второго четырехполюсника.

На фиг. 1 представлена принципиальг ная электрическая схема устройства регулирования уровня сигнала, в котором второй четырехполюсник выполнен управляемым, на фиг. 2 — принципиальная электрическая схема первого и второго четырехполюсников устройства регулирования уровня сигнала, в котором первый четырехполюсник выполнен управляемым, на фиг. 3 — диаграммы, поясняющие работу устройства на фиг.1 ° на фиг. 4 — представлены диаграммы, / поясняющие работу устройства на фиг. 2.

Устройство регулирования уровня сигнала (фиг. 1) содержит первый и второй операционные усилители 1 и 2, I первый и второй дополнительные тран" зисторы 3 и 4, первый и второй антилогарифмирующие транзисторы 5 и 6, первый и второй инвертирующие усилители 7 и 8, первый и второй четырехполюсники 9 и 10, первый четырехполюсник 9 содержит первый дополнительный инвертирующий усилитель 11,.первый и второй резисторы 12 и 13, вто" рой четырехполюсник 1О выполнен управляемым и содержит пщрвый и второй диоды 14 и 15, третьи и четвертые резисторы 16 и 17, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый резисторы 18-24,при этом первые операционный усилитель 1 и дополнительный резистор 3 и вторые операцйонный усилитель 2 и дополнительный резистор 4 образуют соот ветственно первый и второй логарифмические усилители.

Устройство (фиг..2) содержит образующие первый четырехполюсник 9 первый дополнительный операционный усилитель 25, дополнительный диод

26, дополнительный антилогарифмирующий транзистор 27; второй дополнительный инвертирующий усилитель 28, первый, второй, третий и четвертый дополнительный резисторы 29 — 32, входной резистивный делитель 33 напряжения на пятом и шестом дополнительных резисторах 34 и 35, а также образующие второй четырехполюсник

1О седьмой, восьмой и девятый дополнительные резисторы 36 — 38.

Предложенное устройство регулирования уровня сигнала, в котором второй четырехполюсник выполнен управляемым работает следующим обра-! зом.

В режиме покоя при максимальном коэффициенте передачи (например, равном 1) полагаем напряжение на уп- равляющем входе относительно общей шины нулевым, тогда смещение на эмиттерных переходах дополнительных транзисторов 3 и 4 и антилогарифмирую". щих транзисторов 5 и 6 одинаково, поэтому одинаковы и токи этих транзисторов падение напряжения на ре2 зисторах 16 и 7 считается нулввым.

Сопротивление резисторов 21 - 23 оди" наково и в .2 раза меньше сопротивления резисторов 16 и 17. Сопротивление резисторов 12 и 13 также одина" ково.

В динамическом режиме при относительно малых регулируемых сигналах

5 11046 диоды 14 и 15 не проводят тока, поэтому их влиянием можно пренебречь.

Напряжения на входе устройства

1и на выходе первого дополнительного инвертирующего усилителя ii показаны на фиг. 3 а, б. Регулируемые сигналы приходят на входы логарифмических усилителей в противофазе. При малых регулируемых сигналах диаграммы а, б (фиг. 3) справедливы и для коллектор- 10 ных токов транзисторов 3 и 4. Напряжение на эмиттерах транзисторов 3,5 и 4,6 изображено на фиг. 3 6, представляющими результат логарифмирования входного сигнала. Токи антилогарифмирующих транзисторов 5 и 6 противофазны и соответствуют по форме регулируемым сигналам. Точность этого соответствия обеспечивается использованием интегральных сборок с 2п парами идентичных транзисторов 3 5 и

4„6. Благодаря включению второго инвертирующего усилителя 8 (с резисторами 23 и 24) регулируемые сигналы с выходов антилогарифмирующих 25 транзисторов 5 и 6 суммируются на, входе первого инвертирующего усилителя, с выхода которого поступают на выход устройства регулирования уровня сигналов. ЗО

Уровень шума на выходе определяется в основном транзисторами 3,5 и

4,6. Суммирование шумов этих пар транзисторов на выходе дает у еличение .уровня шума примерно в 2 раза.

Величина напряжения шума на выходе, например, от транзисторов 3 и 5 зависит от усиления по напряжению первого антилогарифмирующего транзистора

5 вместе с первым инвертирующим уси- 4 лителем 7, которое может быть определено как отношение сопротивления восьмого резистора 21 и сопротивления эмиттера антилогарифмирующего транзис тора 5 R22 36 Это же соотношение 45 характеризует и усиление по напряжению для малых регулируемых сигналов, а произведение тока коллектора первого антилогарифмирующего транзистора 5 на сопротивление восьмого резис50 тора 21 дает значение половины выходного напряжения устройства (с учетом второго антилогарифмирующего транзистора 6 и второго инвертирующего усилителя 8. При этом максимальный коэффициент передачи по напряжению уст55 ройства К p max — 2 Rg2 f R<> где R — сопротивление третьего резистора 16. Уменьшение соотношения Й, >5 для снижения m a соот ветствует уменьшению сопротивления восьмого резистора 21 (т.е. увеличение тока при заданном выходном напряжении) и увеличению сопротивления эмиттера первого антилогарифмирую щего транзистора 5 (т.е. уменьшению его тока), что затрудняет получение необходимой величины. выходного напряжения устройства при больших регулируемых сигналах. Кроме того, при уменьшении сопротивления R 2 для сохранения коэффициента передачи, устройства необходимо соответственно уменьшать сопротивление +i что приводит к перегрузке по току первого дополнительного транзистора

3 и затрудняет получение необходимой величины входного напряжения устройства при больших. регулируемых сигналах.

Снижение уровня шума и обеспечение перегрузочной способности устройства по входу и выходу достигается дополнительным нелинейным преобразованием регулируемых сигналов на входе устройства..

При относительно больших регулируемых сигналах на них оказывают влияние диоды 14 и 15. В один полупериод, например, открывается первый диод 14. Его ток делится поровну между вторыми резисторами 17. При этом входной ток первого логарифмического усилителя (первый операционный усилитель 1 и дополнительный транзистор 3) увеличивается (максимальный ток может почти удваиваться), а входной ток второго логарифмического усилителя (второй операционный усилитель 2 и дополнительный транзистор 4 соответственно уменьшается). На фиг. 3 А приведена форма напряжения в точке соединения диодов 15 и 16. Диаграммы е, х, (фиг.3> соответствуют коллекторным токам дополнительных транзисторов 3 и 4, форма которых отлична от формы входного сигнала. Лиграммы и, к (фиг.3) соответствуют коллекторному току первого антилогарифмического транзистора 5 и току через девятый резистор 22, которые при сложении дают первоначальную форму входного сигнала. Соотношение амплитуд в разные полупериоды (фиг. 3 B,,ж ) дает возможность судить о соотношении переменного и постоянного токов транзисторов 3,5 и 4,6, которое примерно

1104653 соответствует возможному выигрышу по уровню шума. Нелинейность формы кривых (фиг.3 е, ж) физически означает, что при больших регулируемых сигналах предотвращается закрывание. дополнительных транзисторов 3 и 4 (т. е. отсечка тока через них и нарушение логарифмирования) в соответствующие полупериоды, когда ток через транзисторы должен уменьшаться.

При подаче напряжения на управляющий вход относительно общей шины снижается напряжение смещения антилогарифмирующих транзисторов 5 и 6, соответственно уменьшаются их токи и увеличиваются сопротивления эмиттерных переходов гэБ и r><. Причем благодаря второму инвертирующему усилителю 8 с резисторами 21 и 23 изменения этих токов взаимно компенсируются на входе первого инвертирующего усилителя 7 (с восьмым резистором 21) и не должны появляться на выходе устройства. Вследствие увеличения сопротивлений г. и соответственно уменьшаются отношения Р2 / и и л /ГЭЬ и снижается коэффициент передачи устройства для регулируемых сигналов (при этом дополнительно снижается уровень шума на выходе).

25

Ф

Однако при максимальном коэффициенте передачи устройства больше единицы сказывается влияние шумов первого дополнительного инвертирующего усилителя, что устраняется при использовании предлагаемых устройств (фиг. 2). Здесь в режиме покоя токи дополнительного диода 26 и дополни40 тельного антилогарифмирующего транзистора 27 задаются одинаковыми по сопротивлению резисторами 30 и 31.

Дополнительный диод 26 (транзистор в диодном включении) и дополнитель45 ный антилогарифмирующий транзистор

27 желательно использовать в виде интегральной сборки для взаимной компенсации их температурной нестабильности. Через резисторы 29, 32, 34 и

35 постоянный ток практически не протекает, поэтому потенциалы на входе и на выходе первого четырехполюсника 9 соответствуют потенциалу общей шины. При малых регулируемьгх сигналах первый четырехполюсник 9 можно считать практически линейным. Коэффициент передачи его по напряжению

+> o

З$ + З + Ю Зо

rpe Р э, Рзз, Р,, u " сопротивления .резисторов 29, 32, 34 и 35 соответственно; Ъ„„ — входное сопротивление дополнительного антилогарифмирующего транзистора 27 в схеме с общей базой, которое при малых токах определяется в основном сопротивлением эмиттерного перехода, обратно пропорциональным току эмиттера.

Определяемьпл этим выражением коэффициент К „ выбирается для малых сигналов равным 0,5 (т.е. — 6 дБ), причем резистор 32 (сопротивление общей отрицательной обратной связи

Р ) должен быть таким, чтобы при его отключении коэффициент К возИ (.растал примерно до 0,3 (-4 дБ). При больших сигналах коэффициент переда чи К„„первого четырехполюсника 9 можно рассматривать для мгновенных значечений сигналов, в частности амплитуд.

В положительный полупериод диаграммы входного регулируемого сигнала (фиг. 4 а) ток дополнительного антилогарифмирующего транзистора 27 уменьшается; при этом входное сопротивление 11 возрастает и в соот11 d ветствии с приведенным выражением коэффициент К уменьшается и может

И1 составлять для максимальной амплитуды входного сигнала около -О,1 (фиг. 4 сГ). г

Сопротивление резисторов 36 — 38 одинаковое. Кривая q (фиг. 4) соответствует -,îêó через шестой дополнительный резистор 36, а кривая сГ (фиг. 4) — токам через дополнительные резисторы 37 и 38.

На фиг. 4 6 показана диаграяма входного тока первого логарифмического усилителя. В результате токи транзисторов 3 и 4 оказываются по форме отличными от регулируемых сигналов. При суммировании регулируемых сигналов после антилогарифмирования первоначадьная форма их восстанавливается. Физически это объясняется тем, что нелинейно преобразованные регулируемые сигналы поступают с вьгхода первого четырехполюсника 9 на входы логирифмических усилителей через одинаковые по сопро-.

1104653

1О тивлению дополнительные резисторы 37 и 38. Через эти же резисторы поступают и шумы с выхода первого четырехполюсника 9, которые оказываются скомпенсированными после антилогариф- 5 мирования на выходе устройства. Благоцаря этому можно обеспечить достаточно низкий уровень шума на выходе устройства при коэфиициенте передачи значительно больше 1.

Таким обраэом, изобретение поэволяет обеспечить уровень шума на выходе в 2 раза ниже, чем в известном решении, при более широком диапазоне регулирования и меньших нелинейных искажениях.

1104653

Составитель Л.Закс

Редактор Н. Пушненкова Техред П.Коцюбняк

Корректор А. Фоври

Заказ 5320/42 Тираж 862 .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород., ул. Проектная, 4