Усилитель-ограничитель

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в логарифмических усилителях. Цель изобретения - повышение стабильности фазовых характеристик температурной стабильности коэффициента усиления и уровня ограничения. Для достижения цели введены три транзистора 9, 10, 11 в диодном включении, имеющие N-P-N -структуру, резистор 4 и источник 7 стабильного тока. Источник питания выполнен со средней точкой, соединенной с общей шиной. Токозадающий элемент выполнен в виде источника 8 тока с переменным температурным коэффициентом и дополнительным выходом. Во всем динамическом диапазоне выходных сигналов транзистор 2 работает в линейном режиме, отсечка тока эммитера и насыщение отсутствуют, а это значит, что стабилизируются фазовые характеристики усилителя-ограничителя. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 Н 03 G 11/00

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фя2,f

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н АBTOPCHOMY СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4219010/24-09 (22) 30.03.87 (46) 07.09.89. Вюл. N - 33 (72) И.М. Петренко и В.Н. Устюгов (53) 621.375.026(088.8) (56) Патент CilIA В 3459965, кл. Н 03 К 5/08, опублик. 05.08.69, фиг. 3. (54) УСИЛИТЕЛЬ-ОГРАНИЧИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в логарифмических усилителях. Цель изобретения — повышение стабильности фазовых характеристик температурной стабильности коэффициента усиления

2 и уровня ограничения. Для достижения цели введены три транзистора 9,10 11 в диодном включении, имеющие и-р-иструктуру, резистор 4 и источник 7 стабильного тока. Источник питания выполнен со средней точкой, соединенной с общей шиной. Токозадающий элемент выполнен в виде источника 8 тока с переменным температурным коэффициентом и дополнительным выходом.

Во всем динамическом диапазоне выходных сигналов транзистор 2 работает в линейном режиме, отсечка тока эммитера и насыщение отсутствуют, а это значит, что стабилизируются фазовые характеристики усилителяограничителя. 5 ил.

150651

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в логарифмических усилителях.

Цель изобретения — повышение ста5 бильности фазовых характеристик, температурной стабильности коэффициента усиления и уровня ограничения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема усилителя-ограничителя, на фиг. 2-4 - принципиальные электрические схемы соответственно элемента базового смещения, источника стабильного тока и источника тока с переменным температурным коэф- 15 фициентом усилителя-ограничителя; на фиг. 5 — график зависимости тока эмиттера выходного транзистора усилителя-ограничителя от изменения температуры. 20

Усилитель-ограничитель (фиг.1) содержит входной транзистор 1, выходной транзистор 2, первый и второй резисторы 3 и 4, нагрузочный резистор 5, элемент 6 базового -смещения, источник 25

7 стабильного тока, источник 8 тока с переменным температурным коэффициентом, первьй, второй, третий транзисторы 9-11 в диодном включении, положительная и отрицательная шины 30

12 и 13 источника питания, при этом элемент 6 базового смещения (фиг,2) выполнен на транзисторе 14, резисторе 15, катушке 16 индуктивности, источник 7 стабильного тока (фиг.3) выполнен на транзисторах 17 и 18, резисторах 19 и 20, стабилитроне 21, конденсаторе 22, источнике 8 тока с переменным температурным коэффиентом (фиг.4) выполнен на транзисто- 40 рах 23 и 24, диодной цепи 25 смещения, резисторах 26-31 и цепи 32 смещения, выполненной на резисторе 33, стабилитроне 34.

Усилитель-ограничитель работает 45 следующим образом.

При малом уровне входного сигнала, когда выполняется условие

Uzz c

Uo (1) о К„

50 где U — уровень ограничения усилиО1Р теля-ограничителя

U 6» — уровень входного сигнала»

К „— коэффициент усиления усилителя-ограничителя.

Усилитель-ограничитель работает в линейном режиме и его коэффициент усиления равен (2) с ок оэ где К вЂ” коэффициент передачи эмитОк терного повторителя, выполненного на транзисторе 1;

К вЂ” коэффициент передачи траноъ зистора 2, включенного по схеме с общим эмиттером.

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя К „ определяется

R (3) .ок R +r где R — сопротивление первого ре3 зистора 3; — сопротивление эмиттера транзистора 1; г Э!

kT

Ч = —т

k — термический потенциал; — постоянная Больцмана; — заряд электрона;

Т вЂ” абсолютная температура по шкале Кельвина, R s

К (4) оЭ гэ + г,9 где R - сопротивление нагрузочного резистора 5, г и г — сопротивления эмиттеров соответственно транзисторов 2 и 9, 4т Ч

r = и r э где I u I - токи эмиттера соотЭг Э9 ветственно транзисторов 2 и 9.

Поскольку транзисторы 14 и 1 выбираются согласованными, то U < =

Э 14 и потенциал эмиттера транзистора 1 всегда равен нулю, кроме того, согласованными являются транзисторы

10, 2 и 11 9 поэтому справедливо равенство где I — ток источника 7 стабильного э

ПР »»ЕМ Э9 Э 11 (6) Эг Э1о = Зо= Э1 где I I >, — токи выхода н дополнительного выхода исСопротивление эмнттеров транзисторов 10 и 11 на К„, не влияют, так как выходное сопротивление источника

7 стабильного тока благодаря установке конденсатора 22 большой емкости для переменной составляющей равно нулю.

Аналогично можно записать

5 1506518 точника 8 тока с переменным температурным коэффициентом.

В развернутом виде выражение (2) 5 R Вг запишется следующим образом: э э (2. . э () ос к 1э, +СТ СТ(?эг+Тэ9)

k где С = -- — константа, Ч 10

Rp Тэ R (I a+I„) I„ или К о эТэ +СТ СТ(?,о+2Тэд )

Из (8) можно получить закон, по которому должен изменяться ток,Iэ,о, 15 чтобы обеспечить стабильность К„ при изменении температуры окружающей среды

2K С T Tgg(RgI, +CT)+RyIэ, RgI

+СТ) + Т. э э9 9) 20

В выражении (9) знак минус физического смысла не имеет и отражает инвертирующее свойство схем с общим ! змиттером. Зависимость (9) описывает монотонно возрастающую кривую, график которой качественно представлен на фиг. 5 (сплошная линия), Точное воспроизведение этой зависимости встречает серьезные трудности и приводит к громоздким схемным решениям, поэтому наиболее целесообразно заменить кривую фиг. 5 кусочно-линейной кривой, которая также представлена на фиг. 5 (пунктирной линией) .

Нестабильность К с, связанная с неточным воспроизведением зависимости (9) при аппроксимации двумя прямыми, не превышает 37 в температурном диапазоне от -60 до 100 С.

Кусочно-линейную аппроксимацию обеспечивает источник 8 тока с переменным температурным коэффициентом (фиг.4). Ток на каждом иэ выходов источника 8 тока в случае равенства сопротивление нагрузки и резисторов 30 и 31 равен напряжение стабилизации стабилитрона 34; сопротивления регулировочных резисторов

26 и 27 соответствен1) Кгв-1)6эг -UKg2y эо

6 гб

1)д Кг4- 1)Рэ 4

27 (10) где К К вЂ” коеффициенты переда28 29 чи делителей, выполненных на переменных резисторах 28 и 29 соответственно; но

U =пБ - падение напряжения в

ОЭ26 цепи 25 из транзисторов в диодном включении;

n — число транзисторов в. цепи 25.

Настройка схемы (фиг,4) проиэво" дится следующим образом.

При температуре, соответствующей

Т,, при помощи переменного резимакс к стора 28 устанавливается падение напряжения на резисторе 26, величина которого определяется из условия

026=(п+1) ) (Тмакс Тоср) ° (11) где U2 — падение напряжения на резисторе 26, 1(=2мВ/град — температурный коэффициент напряжения базаэмитт ер, Т„ „ — максимальная температу30 ра,"

Т „— температура переключепер

Регулировкой резистора 26 устанавколлектора < 2 3 мокс вели

3S чина которого определяется следующим образом:

ê23 ма кс эо макс K 24 макс э к2Э Макс > Ю макс > IK24 Макс тО

40 ки,соответствующие максимальной температуре.

Далее регулировкой реэистра 29 устанавливают падение напряжения на

45 резисторе 27 иэ условия я2 а и 100Z (13)

27 K где К вЂ” температурный коэффициент, характеризующий наклон зависимости

50 (9) на участке от T „„ до Т„ и имеющий размерность 7/град.

Регулировкой резистора 27 устанавливают ток коллектора ? к 24 мак.из условия (12).

Следует отметить, что настройку (схемы фиг. 4) не обязательно каждый раз проводить при Т„ „, а достаточно, используя методы статистического анализа, определить средний наклон

1506518 зависимости (9) на участках от Т „н до Тле и от Тпеу до Тмакеу а настройку производить в нормальных условиях.

В большинстве случаев практического использования коэффициента усиления каскад логарифмического усилителя выбирается равным 10 дБ.

В режиме ограничения, когда. вы- 10 полняется условие

0 оrg (17)

К с усилитель-огр ничитель работает следукицим образом. 15

При подаче на вход усилителя-ограничителя положительного напряжения потенциал эмиттера транзистора 1 увеличивается, ток через резистор 9 возрастает. Максимальная величина положительной полуволны этого тока ограничена величиной тока через резистор 4, следовательно, максимальный уровень положительной полуволны сигнала на эмиттере транзистора 1 25 определяется выражением (18) где I — ток через транзистор 1 в

Э! режиме покоя, равный току через резистор 4 (напряжение на резисторе 3 в режиме покоя равно нулю).

Максимальная величина отрицательной полуволны напряжения на резисторе 3 определяется выражением (19) где U — уровень отрицательной повх луволны входного сигнала, 40 и ограничена отрицательным напряжением источника питания и максимальным током коллектора транзистора 1, т.е. является величиной гораздо большей, чем реальные сигналы, поступающие на 45 вход усилителя-ограничителя.

Таким образом, на базу транзисто,ра 2 поступает сигнал, максимальное значение положительной полуволны которого ограничено значением U» э

Сопротивление резистора 5 и положительное напряжение источника питания выбираются таким образом, чтобы при сигнале на базе транзистора

2, равном U,, этот транзистор рабо+ тал в линейном режиме и не входил в насьпцение, коэффициент усиления определяется из выражения (4).

Следовательно, максимальное значение отрицательной полуволны выходного напряжения определяется выражением

Отрицательная полуволна сигнала на базе транзистора 2, определяемая из выражения (19), уменьшает потенциал его эмиттера, величина тока, отбираемая от источника 7 стабильного тока, тоже уменьшается (ток перераспределяется в цепь транзисторов 10, 1 1 в диодном включении) и при некотором входном сигнале эта величина тока становится равной нулю — ток через транзистор 9 в диодном включении прекращается (отсечка тока).

Из-за наличия источника 8 ток эмиттера транзистора 2 не уменьшается до нуля, а становится равным току I . Величина этого тока выбирается из условия линейного режима работы транзистора 2.

В режиме покоя без сигнала ток в цепи эмиттера транзистора 2 равен сумме токов I u I, таким образом, максимальное уменьшение тока эмиттера транзистора 2 равно току I npu подаче на его базу отрицательного напряжения и максимальное значение положительной полуволны выходного напряжения определяется из выражения (21)

Поскольк f кроме того, I, I>

R и R y от температуры практйчески не зависят, то стабильность уровня ограничения зависит в основном от стабильности К, т.е. от точности аппроксимации зависимости (9) и. не превьппает ЗХ в диапазоне температур от -60 С до 100 С.

Таким образом, во всем динамическом диапазоне выходных сигналов транзистор 2 работает в линейном режиме, отсечка тока эмиттера и насыщение отсутствует, а это значит, что стабилизируются фазовые характеристики усилителя-ограничителя.

При реализации логарифмического усилителя на основе данного усилителя-ограничителя питание всех подобных каскадов логарифмического усилителя можно осуществить от одного источника 8 тока с переменным температурным коэффициентом, для этого

1506518

IO дь!и3 ШОУ

Фиг. 2 фигЗ достаточно предусмотреть соответствующее количество выходов источника 8.

5 формула изобретения

Усилитель-ограничитель, содержащий входной транзистор, имеющий р-и-р-структуру и включенный по схеме с общим коллектором, эмиттер которого через первый резистор соединен с общей шиной, а база является входом усилителя-ограничителя и через элемент базового смещения соединена с отрицательной шиной источника питания, выходной транзистор, имеющий п-р-п-структуру, база которого подключена к эмиттеру входного транзистора, эмиттер через токозада- (> ющий элемент соединен с отрицательной шиной источника питания, коллектор — с первым выводом нагрузочного резистора и является выходом усилителя ограничителя, о тли ч а ющ ий с я тем, 25 что, с целью повышения стабильности фазовых характеристик температурной стабильности коэффициента усиления и уровня ограничения введены первый, второй и третий транзисторы в диодном включении, имеющие и-р-п-структуру, второй резистор и источник стабильного тока, причем источник питайия выполнен со средней точкой, соединенной с общей шиной, при этом эмиттер выходного транзистора через первый транзистор в диодном включении соединен с выходом источника стабильного тока, общий вывод которого подключен к отрицательной шине источника питания, при этом между общей шиной и выходом источника стабильного тока включены последовательно соединенные и прямосмещенные второй и третий транзисторы в диодном включении, причем токозадающий элемент выполнен в виде источника тока с переменным температурным коэффициентом с дополнительным выходом, подключенным к точке соединения второго и третьего транзисторов в диодном включении, второй вывод нагрузочного резистора подключен к положительной шине источника питания, к которой через второй резистор подключен эмиттер входного транзистора.

1506518

@sara Aeeg Др 1я@ @ 32 нар

7> > 32 цу пер Ъ асс

Составитель И. Водяхина

Редактор С. Патрушева Техред М.Ходанич Корректор Н.Борисова

Заказ 5445/54 Тирам 884 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г; Умгород, ул. Гагарина, 101