Усилитель

 

Использование: радиотехнические устройства. Сущность изобретения: усилитель содержит двухтактный дифференциальный усилительный элемент, выполненный на первом, втором, третьем и четвертом каскодных усилительных элементах, каждый из которых выполнен на n-p-n- и p-n-p-транзисторах и резисторе, источник смещения, формирователь тока рассогласования, первый и второй сумматоры втекающих токов, первый и второй сумматоры вытекающих токов, усилитель тока, что позволяет уменьшить искажения в режиме большого сигнала при одновременном расширении диапазона допустимых входных синфазных сигналов. Усилитель по п.2 раскрывает реализацию двухтактного дифференциального усилителя, по п.3 - реализацию формирователя тока рассогласования, по пп. 4 и 6 - реализацию усилителя тока, по п.5 - каждого из сумматоров втекающих и вытекающих токов. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехническим устройствам и может использоваться в качестве входного каскада в двухтактных и операционных усилителях.

Известен усилитель, содержащий двухтактный дифференциальный усилительный элемент, имеющий два противофазных входа, первую и вторую пару взаимно противофазных выходов втекающего тока, первую и вторую пару взаимно противофазных выходов вытекающего тока и три входа смещения, первый сумматор втекающих токов, первый сумматор вытекающих токов, причем два синфазных выхода втекающего тока двухтактного дифференциального усилительного элемента подключены к входам первого сумматора втекающих токов, два противофазных по отношению к этим выходам синфазных выхода вытекающего тока подключены к входам первого сумматора вытекающих токов, при этом выходы обоих сумматоров являются симметричным двухтактным выходам усилителя, формирователь тока рассогласования, первый и второй входы которого подключены соответственно к одному выходу первой пары выходов втекающего тока и противофазному по отношению к нему одному выходу первой пары выходов втекающего тока, при этом свободные выходы двухтактного дифференциального усилительного элемента подключены к соответствующим шинам питания [1] Достоинствами этого усилителя являются его устойчивость по начальному режиму без резисторов, а также возможность значительно уменьшить входные токи смещения. К недостаткам усилителя относятся ограниченность диапазона допустимых синфазных напряжений, а также возможность возникновения искажений по второй гармонике при работе усилителя в режиме большого сигнала. Эти искажения являются следствием того, что в режиме большого сигнала рабочие токи в цепях смещения усилителя зависят не только от мгновенного значения напряжения, приложенного к входам усилителя, и сопротивления резисторов, установленных в каскодных усилительных элементах, но и от соотношения коэффициентов передачи повторителя и преобразователя тока, установленных в плечах формирователя тока рассогласования.

Цель изобретения уменьшения искажений в режиме большого сигнала при одновременном расширении диапазона допустимых входных синфазных сигналов.

На фиг. 1-4 показаны принципиальные электрические схемы усилителя.

Усилитель содержит двухтактный дифференциальный усилительный элемент, выполненный на первом, втором, третьем и четвертом каскодных усилительных элементах 1-4, каждый из которых выполнен на n-p-n- и p-n-p-транзисторах и резисторе. Двухтактный дифференциальный усилительный элемент имеет два противофазных входа, первую и вторую пару взаимно противофазных выходов вытекающего тока и три входа смещения. Усилитель содержит также источник 5 смещения, формирователь 6 тока рассогласования, первый сумматор 7 втекающих токов и первый сумматор 8 вытекающих токов, усилитель тока 9, второй сумматор 10 втекающих токов и второй сумматор 11 вытекающих токов.

Усилитель работает следующим образом.

В режиме покоя устойчивый и определенный начальный режим смещения всех элементов усилителя обеспечен за счет обратной отрицательной связи по току смещения, замыкающейся с выходов соответствующих каскодных усилительных элементов через формирователь 6 тока рассогласования, управляемый усилитель тока 9 и сумматоры 10, 11 токов на выводы источника 5 смещения. Поскольку коэффициенты передачи тока от обоих входных клемм формирователя 6 тока рассогласования различны (пропорциональны коэффициентам усиления тока в схеме с ОЭ используемых n-p-n- и p-n-p-транзисторов) и поскольку втекающий в источник 5 смещения и вытекающий из него токи должны быть равны, начальные токи смещения входных p-n-p- и n-p-n-транзисторов соответствующих каскадных усилительных элементов устанавливаются пропорциональными их коэффициентам усиления тока в схеме с ОЭ, так как только в таком случае в схеме возможен устойчивый режим. При используемой структуре источника 5 смещения и при согласовании транзисторов, на которых он реализован, с транзисторами каскадных усилительных элементов указанное равенство втекающего и вытекающего токов обеспечивается только в том случае, если на входы сумматоров 10, 11 токов поступают токи i_ро, i_по, равные начальным токам смещения входных транзисторов. Величина этих токов определяется сопротивлением токозадающих резисторов, входящих в состав управляемого усилителя тока 9, и напряжением на выходе формирователя 6 тока рассогласования, которое зависит от соотношения коэффициентов усиления тока в схеме с ОЭ используемых p-n-p- и n-p-n-транзисторов. Из-за симметрии каскодных усилительных элементов 1, 3 по отношению к каскодным усилительным элементам 2, 4 начальные токи этих каскодных усилительных элементов также устанавливаются равными i_по, i_ро соответственно, а поскольку в сумматорах 10, 11 эти токи складываются с выходными токами каскодных усилительных элементов 1, 3, начальный ток смещения между выходными клеммами усилителя равен i_по + i_ро (начальный режим усилителя, показанного на фиг.4, несколько отличается). В результате общий режим смещения усилителя оказывается устойчивым и однозначно определяется сопротивлением токозадающих резисторов, входящих в управляемый усилитель тока 9, а величина входных токов смещения по обоим входам стремится к нулю.

При наличии на входах усилителя больших синфазных сигналов из-за значительного усиления в цепях ООС по току смещения, обусловленного использованием управляемого усилителя тока 9, выходное сопротивление сумматоров 10, 11 токов не оказывает существенного влияния на величину токов смещения всех каскодных усилительных элементов 1-4. Вследствие этого входные токи смещения слабо зависят от величины синфазного напряжения. Это позволило исключить транзисторы, включенные по схеме с ОБ, используемые в прототипе для увеличения выходного сопротивления цепей токового смещения, без увеличения входных токов предлагаемого усилителя и за счет уменьшения числа последовательно включенных транзисторов в цепях токового смещения расширить допустимый диапазон синфазных входных напряжений, который для предлагаемого усилителя отличается от напряжений питания на величину, равную приблизительно падению напряжения на двух прямосмещенных p-n-переходах.

При передаче импульсного перепада, например, положительной полярности (считаем, что усилитель включен с выходным двухтактным каскадом по схеме повторителя напряжения) рабочие токи первого и второго каскадных усилительных элементов 1, 2 существенно возрастает, а рабочие токи каскодных усилительных элементов 3, 4 снижаются практически до нуля. При этом ток в цепи смещения, поступающий с выхода сумматора 10 токов к соответствующей клемме источника 5 смещения и перезаряжающий паразитные емкости, практически не зависит от коэффициентов передачи тока в каждом плече формирователя 6 тока рассогласования. Это обусловлено тем, что выходные токи управляемого усилителя тока 9 не могут существенно изменять свою величину при больших перепадах напряжения на выходе формирователя 6 тока рассогласования, так как они ограничены сопротивлением токозадающих или иных резисторов, входящих в состав управляемого усилителя тока 9, и величиной питающих напряжений. При этом даже без каких-либо дополнительных мер сигнал на выходе усилителя, имеющий высокую скорость нарастания, зависит только от рабочих токов каскодных усилительных элементов 1-4 и практически не зависит от процессов в цепях ООС по току смещения, поскольку при высоких скоростях нарастания выходного напряжения рабочий ток каскадных усилительных элементов 1-4 возрастает на два порядка и более, а выходной ток управляемого усилителя тока 9 в момент переключения возрастает не более чем в 2-5 раз относительно равновесного состояния. Еще лучше результаты получаются при реализации низкочастотного полюса АЧХ в цепях ООС по току начального смещения. Возможным вариантом реализации такой АЧХ является включение высокоомного резистора последовательно с входом управляемого усилителя тока 9 (фиг.3) или конденсатора малой емкости (5-10 пФ) в структуре формирователя 6 тока рассогласования (фиг.1-4).

Таким образом, схема токового смещения предлагаемого усилителя, в состав которой входят источник 5 смещения, формирователь 6 тока рассогласования, управляемый усилитель тока 9 и сумматоры 10, 11 токов, осуществляющая эффективную стабилизацию начального режима предлагаемого усилителя в состоянии покоя и на низких частотах, при передаче импульсных сигналов и на высоких частотах не оказывает на его работу практически никакого влияния, что обусловлено не только выбранным способом передачи сигнала стабилизации в структуре усилителя, но и частотным разделением полезного сигнала и сигнала стабилизации. Поэтому асимметрия коэффициентов передачи тока в плечах схемы токового смещения не отражается на характеристиках усилителя в режиме большого сигнала, в том числе и на его линейности, хотя по уровню входных токов смещения в режиме покоя предлагаемый усилитель не уступает прототипу.

Предлагаемый усилитель может иметь достаточно много вариантов конкретной реализации, часть из которых изображена на фиг.1-4. Предположительно наилучшими характеристиками в режиме большого сигнала должен обладать усилитель, изображенный на фиг.2, входные транзисторы каскодных усилительных элементов 2, 4, в котором выполнены двухколлекторными. Это объясняется минимальной величиной паразитной емкости, шунтирующей входы токового смещения каскодных усилительных элементов 1-4 в этом усилителе, поскольку применение двухколлекторных транзисторов позволило использовать в качестве сумматоров 7, 8, 10, 11 токов одиночные управляемые источники тока, выходная емкость которых меньше, чем у сумматоров, используемых в других вариантах предлагаемого усилителя.

В усилителе (фиг. 3) в качестве усилителя тока 9 применен однотактный усилитель в управляемом токозадающем элементе 11. Поскольку входы формирователя 6 тока рассогласования здесь подключены к выходам каскадных усилительных элементов 2, 3, для исключения характерных искажений, возникающих при передаче высокочастотной синусоиды большой амплитуды, в состав управляемого источника тока, входящего в формирователь 6 тока рассогласования, включен дополнительный резистор.

В усилителе, изображенном на фиг.4, на входы сумматоров 10, 11 токов поступают выходные токи каскодных усилительных элементов 2, 4 и ток токозадающего элемента, входящего в состав усилителя тока 9. Суммирование же рабочего тока и тока обратной связи по режиму начального смещения осуществляется за счет соединения через элементы источника 5 смещения выходов сумматоров 10, 11 токов с выходом двухтактного усилителя тока в управляемом токозадающем элементе 11, выходное сопротивление которого увеличено до необходимого значения за счет установки последовательно с его выходом резистора сопротивлением в несколько сот килоом. При этом механизм функционирования того усилителя не отличается существенно от ранее рассмотренного.

Параллельно включенные диоды в сумматорах 7, 8, 10, 11 токов изображены только для наглядности. В реальных устройствах эти диоды могут быть заменены одним диодом с суммарной площадью эмиттера.

Все рассмотренные реализации усилителя допускают использование совместно с малосигнальным каналом усиления, причем возможны различные способы включения этого канала в структуре усилителя. Наиболее простым способом является введение, например, p-n-p-транзистора, база которого подключена к коллектору n-p-n-транзистора каскадного усилительного элемента 3, эмиттер к положительной шине питания, а коллектор соединен с коллектором n-p-n-транзистора каскодного усилительного элемента 4 и подключен к входу малосигнального канала усиления, выход которого соединен с любым из входов сумматоров 10, 11 токов.

При существенном различии p-n-p- и n-p-n-транзисторов по параметрам предлагаемый усилитель значительно более линеен, что установлено при включении обоих усилителей, заявленного и прототипа, повторителями напряжения и передаче ими синусоиды частотой 4 МГц и амплитудой 4В. Кроме того, максимальная полная амплитуда сигнала, передаваемого предлагаемым усилителем в указанном режиме, примерно на 1,5 В больше, чем при использовании прототипа.

Формула изобретения

1. УСИЛИТЕЛЬ, содержащий двухтактный дифференциальный усилительный элемент, имеющий два противофазных входа, первую и вторую пары взаимно противофазных выходов втекающего тока, первую и вторую пары взаимно противофазных выходов вытекающего тока и три входа смещения, первый сумматор втекающих токов, первый сумматор вытекающих токов, причем два синфазных выхода втекающего тока двухтактного дифференциального усилительного элемента подключены к входам первого сумматора втекающих токов, два противофазных по отношению к этим выходам синфазных выхода вытекающего тока подключены к входам первого сумматора вытекающих токов, при этом выходы обоих сумматоров являются симметричным двухтактным выходом усилителя, формирователь тока рассогласования, первый и второй входы которого подключены соответственно к одному выходу первой пары выходов втекающего тока и противофазному по отношению к нему одному выходу первой пары выходов втекающего тока, при этом свободные выходы двухтактного дифференциального усилительного элемнта подключены к соответствующим шинам питания, отличающийся тем, что введены второй сумматор вытекающих токов, второй сумматор втекающих токов и усилитель тока, причем к первым входам второго сумматора вытекающих токов и второго сумматора втекающих токов подключены соответственно один выход вытекающего тока двухтактного дифференциального усилительного элемента и противофазный по отношению к нему выход втекающего тока, к их вторым входам - первый и второй выходы усилителя тока соответственно, выходы этих сумматоров подключены соответственно к первому и второму входам смещения двухтактного дифференциального усилительного элемента, а вход усилителя тока соединен с выходом формирователя тока рассогласования.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что двухтактный дифференциальный усилительный элемент выполнен в виде четырех каскодных усилительных элементов, каждый из которых выполнен на двух n - p - n- и p - n - p-транзисторах, эмиттеры которых соединены через резистор, причем база n - p - n-транзистора первого и база p - n - p-транзистора второго каскодных усилительных элементов соединены и являются первым входом двухтактного усилительного элемента, база p - n - p-транзистора третьего и база n - p - n-транзистора четвертого каскодных усилительных элементов соединены и являются вторым входом двухтактного усилительного элемента, коллекторы n - p - n-транзисторов первого и второго каскодных усилительных элементов являются первой парой взаимно противофазных выходов втекающего тока, коллекторы p - n - p-транзисторов первого и второго каскодных усилительных элементов являются первой парой взаимно противофазных выходов вытекающего тока, коллекторы p - n - p-транзисторов третьего и четвертого каскодных усилительных элементов являются второй парой взаимно противофазных выходов вытекающего тока, при этом коллекторы n - p - n-транзисторов третьего и четвертого каскодных усилительных элементов являются второй парой взаимно противофазных выходов втекающего тока, базы n - p - n-транзисторов второго и третьего каскодных усилительных элементов соединены и являются первым входом смещения, базы p - n - p-транзисторов первого и четвертого каскодных усилительных элементов соединены и являются вторым входом смещения, причем между первым и вторым входами смещения включен источник смещения, выполненный на первом, втором n - p - n-транзисторах и третьем, четвертом p - n - p-транзисторах, при этом базы первого n - p - n- и третьего p - n - p-транзисторов соединены, а их объединенные коллектор и эмиттер соответственно являются первой клеммой источника смещения, базы второго n - p - n- и четвертого p - n - p-транзисторов соединены, а их объединенные эмиттер и коллектор соответственно являются второй клеммой источника смещения, при этом свободные выводы этих четырех транзисторов объединены и являются третьим входом смещения двухтактного дифференциального усилительного элемента.

3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что формирователь тока рассогласования содержит двухъярусный повторитель тока, общая клемма которого подключена к отрицательной шине питания, а вход является первым входом формирователя тока рассогласования, и преобразователь тока, выполненный на одном n - p - n- и двух p - n - p-транзисторах, причем базы первого p - n - p- и n - p - n-транзисторов соединены, а их коллектор и эмиттер соответственно подключены к эмиттеру и базе второго p - n - p-транзистора, которая является вторым входом формирователя тока рассогласования, при этом эмиттер первого p - n - p-транзистора и коллектор n - p - n-транзистора подключены к положительной шине питания, а коллектор второго p - n - p-транзистора соединен с выходом двухъярусного повторителя тока и является выходом формирователя тока рассогласования.

4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что усилитель тока содержит первый n - p - n- и второй p - n - p-транзисторы, эмиттеры которых через первый и второй токозадающие резисторы подключены к отрицательной и положительной шинам питания соответственно, их базы объединены и являются входом, а их коллекторы являются соответственно первым и вторым выходами усилителя тока.

5. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что каждый из сумматоров втекающих и вытекающих токов содержит два управляемых источника тока, входы которых являются первым и вторым входами, а объединенные выходы - выходом этих сумматоров втекающих и вытекающих токов.

6. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что усилитель тока содержит симметричный неинвертирующий двухтактный усилитель, выход которого через первый резистор соединен с третьим входом смещения двухтактного дифференциального усилительного элемента, при этом между первым и вторым выходами усилителя тока включен второй резистор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4