Дифференциальный усилитель с несимметричным входом

Изобретение относится к радиотехнике для использования в усилителях высокой точности (линейности). Технический результат заключается в повышении линейности усилителя. Усилитель содержит дифференциальную пару транзисторов (1) и (2). База первого из них служит входом усилителя, а второго - соединена через источник напряжения (6) с общим проводом (землей). Эмиттеры транзисторов соединены между собой через резистор (4), причем с эмиттером второго транзистора также соединен генератор тока (3). В результате снижено синфазное напряжение, приложенное к генератору тока (3), что повышает линейность усилителя. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к дифференциальным усилителям, и может найти применение в усилителях высокой точности (линейности).

Известна основная схема (см. фиг.1) дифференциального усилителя на биполярных транзисторах. На базы транзисторов 1, 2 подаются входные сигналы Uвх1, Uвх2, на соединенные между собой эмиттеры поступает ток смещения I₀ от генератора тока 3, а с коллекторов снимается усиленный сигнал (Вых.). Также известна схема (см. фиг.2) дифференциального усилителя на биполярных транзисторах с увеличенным входным граничным напряжением за счет включения в эмиттеры транзисторов 1 и 2 резисторов 4 и 5 (Ежков Ю. Справочник по схемотехнике усилителей. - Омск: Юридический институт МВД России, 1996, стр.55, рис.5.12, стр.56, рис.5.14). Однако для рассмотренных усилителей во всех вариантах их включения (с симметричным или несимметричным входом или выходом) необходимым условием низких искажений сигнала является высокое выходное сопротивление генератора тока смещения (Rг.т.). Повышение Rг.т. требует усложнения генератора тока, например использования вместо схемы на одном транзисторе (см. фиг.3) каскодной схемы (см. фиг.4) (Полонников Д. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983, стр.39, 40).

Отмеченные обстоятельства обусловлены тем фактом, что в дифференциальных усилителях к генератору тока смещения приложено напряжение, синфазное входному. А так как выходное сопротивление генератора конечно, то имеет место паразитная модуляция его тока указанным напряжением, приводящая к искажению усиливаемого сигнала. Очевидно, что эти паразитные изменения тока генератора определяются как его выходным сопротивлением Rг.г., так и приложенным к нему синфазным напряжением Uc.г. Вышеописанный традиционный подход к снижению паразитных изменений тока смещения состоит в увеличении Rг.т. В предложенном изобретении указанные изменения тока снижены за счет уменьшения Uc.г.

Таким образом, при создании изобретения в целях повышения линейности дифференциального усилителя решалась задача снижения искажений сигнала, обусловленных конечным значением выходного сопротивления генератора тока смещения, путем уменьшения приложенного к нему синфазного напряжения.

В качестве прототипа выбран дифференциальный усилитель с увеличенным входным граничным напряжением в несимметричном включении по входу (см. фиг.5). Для прототипа напряжение синфазного сигнала Uc.г., приложенное к генератору тока смещения 3, составляет примерно половину от входного Uвх, т.е. Uc.г.≈ Uвх/2.

Для указанного прототипа - частного случая выполнения и включения известного из уровня техники дифференциального усилителя, оказалось возможным внести в него такие изменения (см. фиг.6), что техническим результатом стало снижение синфазного напряжения, приложенного к генератору тока смещения.

А именно, поставленная цель достигается в результате того, что в дифференциальном усилителе с несимметричным входом, содержащем транзистор 1, база которого является входом усилителя, а эмиттер соединен через резистор 4 с генератором тока 3, а база транзистора 2 соединена с общим проводом, предусмотрены следующие конструктивные отличия:

a) генератор тока смещения 3 подключен к эмиттеру транзистора 2;

b) между базой транзистора 2 и общим проводом введен источник напряжения смещения 6, напряжение которого равно падению напряжения на резисторе 4 тока эмиттера транзистора 1, который составляет половину от тока генератора тока 3.

Отметим, что именно при вышеуказанном напряжении источника напряжения смещения 6 обеспечивается баланс предложенного дифференциального усилителя - при нулевом входном напряжении эмиттерные токи транзисторов дифференциальной пары равны между собой и составляют половину от тока источника тока 3. Данное положение можно доказать, учитывая, что для предложенного усилителя напряжение источника напряжения смещения 6 равно сумме напряжений на входе, на эмиттерных переходах дифференциальной пары транзисторов и на резисторе 4. Поскольку при балансе и отсутствии дестабилизирующих факторов входное напряжение равно нулю и напряжения на эмиттерных переходах равны и противоположны по знакам, напряжение источника напряжения смещения 6 совпадает с напряжением на резисторе 4, которое равно произведение его сопротивления на ток эмиттера транзистора 1 (половина тока источника тока 3).

Возможны следующие три частных случая выполнения изобретения.

1. Исходный дифференциальный усилитель, отличающийся тем, что введен резистор 7, включенный между общим проводом усилителя и общим проводом источника сигнала, при этом общий провод, соединенный с источником напряжения 6, является общим проводом источника сигнала. При этом достигается дополнительный технический результат, состоящий в обеспечении электрической «развязки» (через резистор 7) земель усилителя и источника сигнала.

2. Исходный дифференциальный усилитель, отличающийся тем, что к его входу и неинвертирующему выходу, которым является коллектор транзистора (2), параллельно подключен дифференциальный усилитель, выполненный на транзисторах (1) и (2) противоположной проводимости, причем база транзистора (1) противоположной проводимости является входом дифференциального усилителя, а эмиттер соединен через резистор (4) с генератором тока (3) и эмиттером транзистора (2) противоположной проводимости, между базой которого и общим проводом включен источник напряжения (6) противоположной полярности, напряжение которого равно падению напряжения на резисторе (4) тока эмиттера транзистора (1) противоположной проводимости, который составляет половину от тока генератора тока (3). При этом достигается дополнительный технический результат, состоящий в обеспечении высокоомного выхода (соединенные коллектор транзистора 2 и коллектор транзистора 2 противоположной проводимости) без наличия на нем постоянной составляющей напряжения.

3. Дифференциальный усилитель в первом частном случае выполнения, отличающийся тем, что к его входу и неинвертирующему выходу, которым является коллектор транзистора (2), параллельно подключен дифференциальный усилитель, выполненный на транзисторах (1) и (2) противоположной проводимости, причем база транзистора (1) противоположной проводимости является входом дифференциального усилителя, а эмиттер соединен через резистор (4) с генератором тока (3) и эмиттером транзистора (2) противоположной проводимости, между базой которого и общим проводом источника сигнала включен источник напряжения (6) противоположной полярности, напряжение которого равно падению напряжения на резисторе (4) тока эмиттера транзистора (1) противоположной проводимости, который составляет половину от тока генератора тока (3). При этом обеспечиваются оба дополнительных технических результата, присущие исполнению дифференциального усилителя в первом и втором частных случаях и указанные в пунктах 1 и 2.

Техническая сущность и принцип действия аналогов, прототипа, предложенного усилителя и частных случаев его выполнения поясняются чертежами, на которых:

фиг.1 - основная схема дифференциального усилителя на биполярных транзисторах;

фиг.2 - дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах с увеличенным входным граничным напряжением;

фиг.3 - схема генератора тока на одном транзисторе;

фиг.4 - каскадная схема генератора тока с повышенным выходным сопротивлением;

фиг.5 - усилитель-прототип предложенного устройства;

фиг.6 - предложенное устройство;

фиг.7 - вариант предложенного устройства с «развязкой» земель усилителя и источника сигнала;

фиг.8 - вариант предложенного устройства с высокоомным выходом без наличия на нем постоянной составляющей напряжения;

фиг.9 - пример реализации в предложенном устройстве источника напряжения смещения 6.

Пример осуществления изобретения представлен на фиг.3, фиг.6 и фиг.9. На фиг.3 показана вышеупоминавшаяся возможная реализация генератора тока смещения 3 на одном транзисторе. Для сопротивления резистора в его эмиттере, равном 100 Ом, ток генератора I₀ составит 5,6 мА. При расчетах полагалось, что на прямосмещенных диодах и переходах база - эмиттер транзисторов падает напряжение 0,56 В, источники питания обеспечивают напряжение +Uпит=+12 В, -Uпит=-12 В, а номинал R резистора 4 выбран 2,2 кОм. Усилитель будет сбалансирован, если равны эмиттерные токи Iэ1 и Iэ2 транзисторов 1 и 2 дифференциальной пары при нулевом входном напряжении, т.е. Iэ1=Iэ2=I₀/2 при Uвх=0. Для этого напряжение источника смещения 6 должно быть равно падению напряжения на резисторе 4 тока эмиттера Iэ1 транзистора 1, составляющего половину тока генератора тока 3, т.е. 2,2кОм×5,6 мА/2=6,16 В. Источник напряжения смещения 6 может быть выполнен на стабилитроне, как показано на фиг.9. Может быть применен стабилитрон на стандартное напряжение 6,2 В, а сопротивление резистора, задающего ток стабилитрона 5 мА, должно быть 1,1 кОм. Напряжение синфазного сигнала, приложенное к генератору тока смещения 3, составляет Uc.г.≈[rэ/(2×rэ+R)]×Uвх, где rэ - дифференциальное сопротивление эмиттера транзистора дифференциальной пары (rэ (Ом) w 26/Iэ(мА)).

Работа предложенного усилителя и усилителя-прототипа описываются, как можно убедиться, тождественно совпадающими уравнениями. Следовательно, и функционируют они аналогично - оба обладают известными полезными свойствами дифференциальных усилителей. Кроме того, в предложенном усилителе к генератору тока смещения приложено меньшее синфазное напряжение. Для рассматриваемого примера осуществления изобретения указанное уменьшение, как показывают оценки по приведенным по тексту описания соответствующим формулам, составляет ˜120 раз (примерно два порядка).

1. Дифференциальный усилитель с несимметричным входом, содержащий транзистор (1), база которого является входом дифференциального усилителя, а эмиттер соединен через резистор (4) с генератором тока (3) и эмиттером транзистора (2), между базой которого и общим проводом включен источник напряжения (6), отличающийся тем, что напряжение источника напряжения (6) равно падению напряжения на резисторе (4) тока эмиттера транзистора (1), который составляет половину тока генератора тока (3).

2. Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что введен резистор (7), включенный между общим проводом дифференциального усилителя и общим проводом источника сигнала, при этом общий провод, соединенный с источником напряжения (6), является общим проводом источника сигнала.

3 Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что к его входу и неинвертирующему выходу, которым является коллектор транзистора (2), параллельно подключен дифференциальный усилитель, выполненный на транзисторах (1) и (2) противоположной проводимости, причем база транзистора (1) противоположной проводимости является входом дифференциального усилителя, а эмиттер соединен через резистор (4) с генератором тока (3) и эмиттером транзистора (2) противоположной проводимости, между базой которого и общим проводом включен источник напряжения (6) противоположной полярности, напряжение которого равно падению напряжения на резисторе (4) тока эмиттера транзистора (1) противоположной проводимости, который составляет половину тока генератора тока (3).

4. Дифференциальный усилитель по 2, отличающийся тем, что к его входу и неинвертирующему выходу, которым является коллектор транзистора (2), параллельно подключен дифференциальный усилитель, выполненный на транзисторах (1) и (2) противоположной проводимости, причем база транзистора (1) противоположной проводимости является входом дифференциального усилителя, а эмиттер соединен через резистор (4) с генератором тока (3) и эмиттером транзистора (2) противоположной проводимости, между базой которого и общим проводом источника сигнала включен источник напряжения (6) противоположной полярности, напряжение которого равно падению напряжения на резисторе (4) тока эмиттера транзистора (1) противоположной проводимости, который составляет половину тока генератора тока (3).