Усилитель

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК щ)5 И 03 F 3/ 45 оп сАН Е иЗОБ ИЛ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) УСИЛИТЕЛЬ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР I (21) 4417128/24-09 (22) 27.04.88 (46) 23.07.90. Бюл. Ф 27 (75) В.Я.Грошев (53) 621.375.026 (088.8) (56) Полонников Д.Е. Операционные усилители. Принципы построения, схемотехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 146, рис. 4. 17. (57) 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 динами„„SU„„1580527 А 1

2 ческой 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 поэволя— ет 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 э.п. ф-лы, 1 ил.

1580527

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 быстроизменяющихся сигналов, На чертеже представлена принципиальная электрическая схема усилите10

15 го

35

50 ля. !

Усилитель содержит первый 1, второй 2 транзисторы п-р-п-типа, третий 3, четвертый 4 транзисторы р-п-р-типа, первый 5, второй б, резисторы, пятый 7, шестой 8 транэис,1

-торы п-р-п-типа, источник 9 смеще ния, первый управляемый источник 10 тока, элемент 11 смещения, второй управляемый источник 12 тока, выходной каскад 13, выполненный на седьмом

14 и восьмом 15 транзисторах р-п-ри и-р-и-типа соответственно, двух" тактном усилителе тока, а также 2 первый 16 и второй 17 транзисторы и-р-и-типа динамической нагрузки, резистор 18 и конденсатор 19.

Усилитель работает следующим образом..

При включении усилителя с ООС входной каскад предлагаемой структуры обладает лучшими характеристиками 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 емкостеи схемы, однако в 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 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, 1связанных 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 прн использовании входного каскада совместно с выходным каскадом 13. Это объясняется тем, что из-за необходимости, соединения коллекторов тран.зисторов 3 и 8 с входами управляемых источников 10 и 12 входной каскад может содержать отдельные элементы нагрузки только в коллекторных цепях транзисторов 7 и 4. Если при этом неинвертирующим входом усилителя являются объединенные базы транзисторов

1 и 3, то выходной каскад должен быть неинвертирующим. 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 транзисто5 ров 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 транзис- 2О торов 1 и 3, охвачены два разных независимых контура. Положительной обратной связью охвачены транзисторы

4 и 8 через управляемый источник 10 тока, а ООС замыкается через транзис- 25 торы 3 и i, выходной каскад 13 и внешнюю цепь обратной связи. Вследствие этого ООС никак не ограничивает глубину ПОС при увеличении дифференциального сигнала между входами усилителя 3О больше некоторой величины, что соответствует переходу в режим большого сигнала, усилитель становится неустойчивым, а форма передаваемого сигнала полностью искажается.

Следовательно, для реализации цели

35 изобретения необходимо, чтобы входной

1каскад усилителя имел фаэировку входов, показанную на чертеже, а выходной каскад был бы инвертирующим. В таком случае цепь ПОС оказывается охваченной петлей внешней ООС, а ноэтому связанные с ней искажения .сигнала значительно ослабляются. Однако при этом выходами входного каскада

13 могут быть только коллекторы транзисторов 3 и 8, которые соединены с входами управляемых источников 10 и 12 тока. Такое соединение является необходимым, а поэтому испольэовать 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

f4 и 15 выходного каскада 13 выполня ются согласованными с диодами управ.1580527 6 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 блиэки к частотным характеристикам в петле ПОС, что является необходимым условием эффективного подавления искажений, возникающих из-эа 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 дийференциального сигнала эмиттерному току транзистора 4. Поскольку параметры интегральных р — п-р- и и-р-итранзисторов никак не согласуются друг с другом, токи, поступающие на входы обоих управляемых источников

10 и 12.тока, в таком случае оказыва- ются 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 необходи.мо уравнять, что может быть обеспече-. но только за счет подачи на неинвертирующий вход усилителя отрицательного

158u527 напряжения, эквивалентного напряженню сдвига, причем эта ошибка проявляется как в статике, так и в режиме большого сигнала. Для устранения это- 5 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- 10 ваются одинаковыми, поскольку при отсутствии дифференциального сигнала коллекторные токи транзисторов .3, 7 и 4, 8 при их взаимной согласованност я 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, 20

Элемент 11 смещения предназначен для задания начального режима смещения всех транзисторов усилителя.

В данном случае используется наиболее простой вариант элемента 11 смещения, 25 содержащий единственный резистор. .Для реализации других целей элемент

11 смещения может иметь значительно более сложную структуру °

Резистор 18, включенный между 30 объединенными эмиттерами транзисторов

1 и 2 и выходом управляемого источника 12 тока, позволяет уменьшить начальный ток смещения этих транзисторов. 35

Формула изобретения

1. Усилитель, содержащий входной каскад, выполненный на первом и вто- gp ром транзисторах п-р-п-типа, базы которых являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим входами усилителя, тр,етьем и четвертом транзисторах р-п-.р-типа, базы которых соединены с базами первого и второго транзисторов и-р-и-типа соответствен1 но, пятом и шестом транзисторах п-р-п-типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами соответственно первого и второго транзисторов п-р-п-чипа, а базы подключены к первому выводу источника смещения и к выходу первого управляемого источника тока, общий вывод которого подклю-. >5 чен к.положительной шине источника питания, при этом коллектор тоетьеге транзистора р-и-р-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 р-и-р- и и-р-и-типов соответственно, включенных по схеме с общим эмиттером, и двухтактном усилителе тока, вход которого соединен с коллектором седьмого и восьмого транзисторов р-и-р- и и"р-Il-òèïoâ соответственно, а выход является выходом усилителя, при этом базы седьмого и восьмого транзисторов р-и-р- и и-р-п-типов соответственно соединены через элемент смещения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности передачи формы быстроизменяющихся сигналов, эмиттеры третьего и четвертого транзисторов р-и — р-типа соединены с вторыми выводами соответственно первого и второго резисторов,, коллекторы пятого и четвертого транзисторов и-р-пи р-и-р-типов соответственно подключены к положительной и отрицательной шинам источника питания соответственно, коллектор шестого транзистора и-р-и-типа подключен к входу первого управляемого источника тока и к базе седьмого транзистора р-п-р-типа, база восьмого транзистора и-р-и-типа соединена с входом второго управляемого источника тока, выход которого подклю" чен к второму выводу источника смещения, при этом коллекторы первого и второго транзисторов и-р-и-типа подключены к положительной, шине источника питания.

2. Усилитель по п. 1 о т л и— ч а ю шийся тем, что коллекторы первого и второго транзисторов и-р-птипа подключены к положительной шине источника питания через введенные соответственно первый и второй транзисторы и-p — n-типа, базы которых подключены к выходу первого управляемого источника тока.

3. Усилитель по пп. i и Л, о т:— л и ч а ю шийся тем, что источник смещения выполнен на трех диодах, включенных последовательно в прямом- напоавлении.