Выходной каскад усилителя

 

Использование: в аналоговой вычислительной технике, например в дискретно-аналоговых преобразователях сигналов, устройствах считывания выходных сигналов интегральных микросхем с зарядовой связью, а также в широкополосных устройствах усиления мощности. Сущность изобретения: выходной каскад усилителя содержит два усилительных элемента, четыре преобразователя напряжения в ток, два делителя напряжения, два источника тока, а также шунтирующие элементы. Преобразователи напряжения в ток обеспечивают стабилизацию тока усилительных элементов и защиту от перегрузок, шунтирующие элементы образуют безынерционные каналы передачи сигнала в выходных цепях каскада, а также с входа каскада на вход усилительных элементов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может найти применение в дискренто-аналоговых преобразователях сигналов, устройствах считывания выходных сигналов интегральных микросхем с зарядовой связью, а также в широкополостных устройствах усиления мощности.

Известны мощные двухтактные выходные каскады широкополостных усилителей на основе комплементарных составных транзисторов с резистивными цепями формирования базового смещения (Богданович Б. М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах. М. Связь, 1980. с. 220, рис. 5.21). Такие выходные каскады нуждаются в ручной регулировке, склонны к саморазогреву, характеризуются существенной температурной и временной нестабильностью сквозного тока покоя и, следовательно, нестабильностью переходной характеристики в области малых времен, снижением быстродействия на нижней границе температурного диапазона работы.

Известны также выходные каскады усилителей на основе двухтактных эммитерных повторителей, содержащие два комплементарных транзистора, базовые токозадающие цепи и источники смещения на диодах и резисторах (Патент США N 4639685 НКИ 330/263, опубл. 1987. Патент США N 4390852 НКИ 330/300, опубл. 1983. Достал И. Операционные усилители. М. Мир, 1982. с. 86-87, рис. 3.20; Полонников Д. Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. М. Энергоатомиздат, 1983. с. 115, рис. 3.26). Эти каскады отличаются высоким быстродействием, температурной стабильностью, однако, предполагают использование полупроводниковых приборов с согласованными характеристиками, например, в составе интегральных микросхем. Применение дополнительных серийных мощных или составных комплементарных транзисторов, способных обеспечить ток в нагрузке до сотен мА, приводит к необходимости регулировки тока покоя и в области малых времен из-за разностей температурных дрейфов напряжений на прямосмещенных переходах транзисторов, а также из-за наличия зависимости напряжения на эммитерных переходах выходных транзисторов от напряжения между эммитером и коллектором.

Наиболее близким по технической сущности к данному техническому решению является выходной каскад усилителя, содержащий первый и второй линейные преобразователи напряжения в ток, первый и второй токозадающие элементы, первый и второй усилительные элементы, первый и второй нелинейные преобразователи напряжения в ток, первый и второй элементы обратной связи, первые выводы которых соединены и являются выходом выходного каскада усилителя, второй вывод первого элемента обратной связи соединен с инвертирующим входом первого линейного преобразователя напряжения в ток и выходом первого усилительного элемента, вход которого соединен с выходами первого нелинейного преобразователя напряжения в ток, первого токозадающего элемента и первого линейного преобразователя напряжения в ток, второй вывод второго элемента обратной связи соединен с инвертирующим входом второго линейного преобразователя напряжения в ток и выходом второго усилительного элемента, вход которого соединен с выходами второго нелинейного преобразователя напряжения в ток, второго токозадающего элемента и второго линейного преобразователя напряжения в ток, неинвертирующие входы первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соединены и являются входом выходного каскада усилителя (GB, заявка N 1434178, H 03 F 1/30, опубл. 05.05.76).

Недостатком известного устройства является низкое быстродействие.

Задачей данного изобретения является повышение быстродействия и надежности, увеличение выходной мощности путем устранения задержек сигнала, ограничения тока выходных транзисторов на уровне предельно допустимого при импульсных перегрузках.

Решается указанная задача тем, что в выходной каскад усилителя, содержащий первый и второй линейные преобразователи напряжения в ток, первый и второй токозадающие элементы, первый и второй усилительные элементы, первый и второй нелинейные преобразователи напряжения в ток, первый и второй элементы обратной связи, первые выводы которых соединены и являются выходом выходного каскада усилителя, второй вывод первого элемента обратной связи соединен с инвертирующим входом первого линейного преобразователя напряжения в ток и выходом первого усилительного элемента, вход которого соединен с выходами первого нелинейного преобразователя напряжения в ток, первого токозадающего элемента и первого линейного преобразователя напряжения в ток, второй вывод второго элемента обратной связи соединен с инвертирующим входом второго линейного преобразователя напряжения в ток и выходом усилительного элемента, вход которого соединен с выходами второго нелинейного преобразователя напряжения в ток, второго токозадающего элемента и второго линейного преобразователя напряжения в ток, неинвертирующие входы первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соединены и являются входом выходного каскада усилителя, введены первый и второй шунтирующие элементы, первые выводы которых соединены с неинвертирующими входами, а вторые выводы - с выходами первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соответственно, а первый и второй элементы обратной связи выполнены в виде делителей напряжения на первом, втором и третьем, четвертом резисторах соответственно, причем первые выводы первого и третьего резисторов соединены с неинвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток соответственно, при этом шунтирующие элементы выполнены на конденсаторах, а первый и второй токозадающие элементы в виде соответствующих источников тока; первый и второй усилительные элементы выполнены соответственно на первом и втором транзисторах с комплементарной структурой, включенных по схеме повторителя; первый линейный преобразователь напряжения в ток выполнен на третьем токозадающем элементе и согласованных третьем и четвертом транзисторах со структурой первого транзистора, второй линейный преобразователь напряжения в ток выполнен на четвертом токозадающем элементе и согласованных пятом и шестом транзисторах со структурой второго транзистора, причем эмиттеры третьего и пятого транзисторов являются неинвертирующими входами, а эммитеры четвертого и шестого транзисторов являются инвертирующими входами первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соответственно, выходами которых являются коллекторы третьего и пятого транзисторов, базы которых подключены к выходам третьего и четвертого токозадающих элементов и к соединенным базе и коллектору четвертого и шестого транзисторов соответственно, при этом третий и четвертый токозадающие элементы выполнены в виде соответствующих источников тока; первый нелинейный преобразователь напряжения в ток выполнен на седьмом транзисторе со структурой первого транзистора и пятом резисторе, второй нелинейный преобразователь напряжения в ток выполнен на восьмом транзисторе со структурой второго транзистора и шестом резисторе, причем первые выводы пятого и шестого резисторов являются инвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток, неинвертирующими входами которых являются эммитеры, а выходами коллекторы соответственно седьмого и восьмого транзисторов, базы которых подключены к вторым выводам пятого и шестого резисторов соответственно; в первом и втором элементах обратной связи первыми выводами являются первые выводы первого и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами второго и четвертого резисторов, вторые выводы которых являются вторыми выводами первого и второго элементов обратной связи соответственно; в первом и втором элементах обратной связи первыми выводами являются первые выводы второго и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами первого и третьего резисторов, вторые выводы которых являются вторыми выводами первого и второго элементов обратной связи соответственно; в первый и второй элементы обратной связи введены третий и четвертый шунтирующие элементы на конденсаторах, первые выводы которых подключены к первым выводам второго и четвертого резисторов, а вторые выводы к вторым выводам второго и четвертого резисторов соответственно; вторым и третьим входами выходного каскада усилителя являются выходы первого и второго токозадающих элементов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема выходного каскада усилителя; на фиг. 2 возможный вариант реализации делителей напряжения.

Выходной каскад усилителя (фиг. 1) содержит первый, второй усилительные элементы 1 и 2, первый, второй токозадающие элементы 3 и 4, первый, второй линейные, первый, второй нелинейные преобразователи 5 8 напряжения в ток, первый, второй делители 9 и 10 напряжения элементов обратной связи, первый и второй шунтирующие элементы 11 и 12 на конденсаторах, вход и выход 13 и 14, которыми являются объединенные первые выводы соответственно первого, второго преобразователей 5 и 6 напряжения в ток и первого, второго делителей 9 и 10 напряжения.

Первый и второй делители 9, 10 напряжения выходного каскада усилителя (фиг. 1) содержат первый, второй и третий, четвертый резисторы 15, 16, 17, 18 соответственно.

Первый и второй делители 9, 10 напряжения предлагаемого выходного каскада усилителя (фиг. 1) также могут содержать третий и четвертый шунтирующие элементы 19 и 20 на конденсаторах.

На фиг. 2 представлен возможный вариант реализации первого и второго делителей 9 и 10 напряжения выходного каскада усилителя.

Выходной каскад усилителя (фиг. 1) работает следующим образом.

Токи первого и второго токозадающих элементов 3 и 4 формируют отпирающее смещение на эммитерных переходах транзисторах первого, второго усилительных элементов 1 и 2. Ток эммитерных цепей этих транзисторов формирует смещение на первом, втором, третьем, четвертом резисторах 15 18 первого, второго делителей 9 и 10 напряжения, которое не является достаточным для отпирания транзисторов первого, второго нелинейных преобразователей 7 и 8 напряжения в ток, но позволяет создать такое смещение на эммитерных переходах транзисторов первого, второго линейных преобразователей 5 и 6 напряжения в ток, которое необходимо для отвода на вход 13 избыточного для первого, второго усилительных элементов 1 и 2 тока первого, второго элементов 3 и 4. Таким образом, на выходе 14 каскада формируется потенциал, близкий по значению к входному, а через транзисторы первого, второго усилительных элементов 1 и 2 протекает ток, стабилизируемый цепью отрицательной обратной связи, содержащий первый второй линейные преобразователи 5 и 6 напряжения в ток. Величина тока первого, второго усилительных элементов 1 и 2 определяется величинами сопротивлений первого, второго, третьего, четвертого резисторов 15 18, токами элементов 3 4, а также соотношением площадей эмиттеров парно подобранных транзисторов первого, второго линейных преобразователей 5 и 6 напряжения в ток и токами их токозадающих элементов.

В случае изменения потенциала на входе 13 (например, его увеличения) происходит подзапирание транзистора первого линейного преобразователя 5 напряжения в ток и приоткрывание транзистора второго линейного преобразователя 6 напряжения в ток. В результате этого происходит увеличение входных потенциалов первого, второго усилительных элементов 1 и 2, приводящее к соответствующему увеличению потенциала на выходе 14. Использование первого, второго, третьего, четвертого шунтирующих элементов 13, 14, 19 и 20 на конденсаторах позволяет подать сигнал с входа 13 сразу на входы первого, второго усилительных элементов 1 и 2 и с их выходов в обход первого, третьего резисторов 15, 17 на второй, четвертый резисторы 16, 18 или выход 14 в зависимости от случая использования первого, второго делителей 9 и 10 напряжения (фиг. 1 или фиг. 2). При больших скачках сигнала на входе 13 ток первого, второго усилительных элементов 1 и 2 ограничивается транзисторами первого, второго нелинейных преобразователей 7 и 8 напряжения в ток.

Технико-экономическая эффективность использования предлагаемого технического решения по сравнению с известным заключается в существенном увеличении мощности, отдаваемой в нагрузку на высоких частотах, улучшении надежности работы, повышении быстродействия каскада по крайней мере в 2 раза за счет расширения полосы пропускания выходного каскада, уменьшения количества используемых при передаче сигнала активных приборов.

Формула изобретения

1. Выходной каскад усилителя, содержащий первый и второй линейные преобразователи напряжения в ток, первый и второй токозадающие элементы, первый и второй усилительные элементы, первый и второй нелинейные преобразователи напряжения в ток, первый и второй элементы обратной связи, первые выводы которых соединены и являются выходом выходного каскада усилителя, второй вывод первого элемента обратной связи соединен с инвертирующим входом первого линейного преобразователя напряжения в ток и выходом первого усилительного элемента, вход которого соединен с выходами первого нелинейного преобразователя напряжения в ток, первого токозадающего элемента и первого линейного преобразователя напряжения в ток, второй вывод второго элемента обратной связи соединен с инвертирующим входом второго линейного преобразователя напряжения в ток и выходом второго усилительного элемента, вход которого соединен с выходами второго нелинейного преобразователя напряжения в ток, второго токозадающего элемента и второго линейного преобразователя напряжения в ток, неинвертирующие входы первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соединены и являются входом выходного каскада усилителя, отличающийся тем, что введены первый и второй шунтирующие элементы, первые выводы которых соединены с неинвертирующими входами, а вторые выводы с выходами первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соответственно, а первый и второй элементы обратной связи выполнены в виде делителей напряжения на первом, втором, третьем, четвертом резисторах соответственно, причем первые выводы первого и третьего резисторов соединены с неинвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток, а вторые выводы с инвентирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток соответственно, при этом шунтирующие элементы выполнены на конденсаторах, а первый и второй токозадающие элементы в виде соответствующих источников тока.

2. Каскад по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй усилительные элементы выполнены соответственно на первом и втором транзисторах с комплементарной структурой и включенных по схеме повторителя.

3. Каскад по п.1 или 2, отличающийся тем, что первый линейный преобразователь напряжение в ток выполнен на третьем токозадающем элементе и согласованных третьем и четвертом транзисторах со структурой первого транзистора, второй линейный преобразователь напряжения в ток выполнен на четвертом токозадающем элементе и согласованных пятом и шестом транзисторах со структурой второго транзистора, причем эмиттеры третьего и пятого транзисторов являются неинвертирующими входами, а эмиттеры четвертого и шестого транзисторов являются инвертирующими входами первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соответственно, выходами которых являются коллекторы третьего и пятого транзисторов, базы которых подключены к выходам третьего и четвертого токозадающих элементов и к соединенным базе и коллектору четвертого и шестого транзисторов соответственно, при этом третий и четвертый токозадающие элементы выполнены в виде соответствующих источников тока.

4. Каскад по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что первый нелинейный преобразователь напряжения в ток выполнен на седьмом транзисторе со структурой первого транзистора и пятом резисторе, второй нелинейный преобразователь напряжения в ток выполнен на восьмом транзисторе со структурой второго транзистора и шестом резисторе, причем первые выводы пятого и шестого резисторов являются инвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток, неинвертирующими входами которых являются эмиттеры, а выходами коллекторы соответственно седьмого и восьмого транзисторов, базы которых подключены к вторым выводам пятого и шестого резисторов соответственно.

5. Каскад по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в первом и втором элементах обратной связи первыми выводами являются первые выводы первого и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами второго и четвертого резисторов, вторые выводы которых являются вторыми выводами первого и второго элементов обратной связи соответственно.

6. Каскад по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что в первом и втором элементах обратной связи первыми выводами являются первые выводы второго и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены с первыми выводами первого и третьего резисторов, вторые выводы которых являются вторыми выводами первого и второго элементов обратной связи соответственно.

7. Каскад по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что в первый и второй элементы обратной связи введены третий и четвертый шунтирующие элементы на конденсаторах, первые выводы которых подключены к первым выводам второго и четвертого резисторов, а вторые выводы к вторым выводам второго и четвертого резисторов соответственно.

8. Каскад по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что вторым и третьим входами выходного каскада усилителя являются выходы первого и второго токозадающих элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2