Звеньевой усилитель тока

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в мощных усилителях низких частот. Технический результат заключается в получении предельно-высокой линейности усилителя при малом токе покоя и максимально высокого коэффициента демпфирования. Введены три двухтактных эмиттерных повторителя со схемой последовательного управления друг другом и местной взаимопроникающей ООС разной полосы и мощности. Усилитель состоит из структурно - однотипных взаимодополняющих двухтактных звеньев, которые образуют местные последовательные ООС и согласованно работают на общую нагрузку. Число звеньев может быть любым в зависимости от требований разработчика, но оптимальное число - четыре. Этот вариант и приведен в заявке. 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в мощных усилителях низких частот.

Цель изобретения: получение предельно-высокой линейности усилителя с сохранением высокой термостабильности и получение максимально высокого коэффициента демпфирования.

Проблемы получения высокой линейности заключаются в том, что транзисторы большой мощности обладают малой полосой и их граничная частота ухудшается в 5-7 раз в области малых и больших токов [1, 2], что делает схему при охвате глубокой отрицательной обратной связью (ООС) неустойчивой.

Просто увеличение числа последовательно включенных повторителей по схеме Дарлингтона не дает снижения искажений, а приводит только к увеличению входного сопротивления и требует большого тока покоя. А замена в прототипе [3], (представляющем собой двухкаскадный усилитель тока повышенной термостабильности на транзисторах разной проводимости с местной ООС) одиночных транзисторов на сдвоенные транзисторы, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи, приводит к потере устойчивости схемы. И даже применение здесь вместо биполярных транзисторов полевых транзисторов помогает мало.

Для решения этой проблемы в схему прототипа [3] дополнительно введены три двухтактных эмиттерных повторителя со схемой последовательного управления друг другом и местной взаимопроникающей ООС разной полосы и мощности и входной каскодный усилитель с ООС на первый повторитель.

Предлагаемая схема состоит из структурно-однотипных взаимодополняющих двухтактных звеньев, которые образуют местные последовательные ООС и согласованно работают на общую нагрузку. Число звеньев может быть любым в зависимости от требований разработчика, например применение полевых транзисторов позволит уменьшить число звеньев, но оптимальное число - четыре. Этот вариант и приведен в заявке.

Прототип [3] полностью входит в предлагаемую схему (Фиг.1) в виде: схемы смещения на элементах 5-7; первого двухтактного повторителя на элементах 10-13 и элементов первого токового зеркала 8, 15, 17, 19.

Для получения высоких параметров в схему прототипа [3], согласно (Фиг.1), введены:

1. Входной каскодный усилитель на элементах 1-4.

2. Три пары токовых зеркал на элементах 8, 9, 14-17, 19-22, 27-30, 32, 33, 36, 37, 40, 41, 43-46.

3. Два источника напряжения на элементах 18, 31.

4. Три пары дополнительных двухтактных эмиттерных повторителей на элементах 23-26, 38, 39, 49, 50.

5. Элементы частотной коррекции 2, 34, 35, 42, 42, 47, 48

Схема электрических связей вновь введенных элементов приведена на чертеже.

Предлагаемая схема работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на эмиттер транзистора 1. С коллектора транзистора 1 сигнал поступает на базу транзистора 10 и, через источник напряжения 6, на базу транзистора 13. С выхода усилителя, через резистор 4, поступает сигнал ООС на базу транзистора 1. Конденсатор 2 служит для коррекции транзистора 1. Диод 3 защищает базовый переход от пробоя при перегрузке и ускоряет запирание транзистора 1. Источники тока 5, 7 и источник напряжения 6 задают рабочий ток транзисторам 10, 13. С эмиттеров транзисторов 10, 13 сигнал через резисторы 11, 12 поступает на выход усилителя. В этом каскаде используются маломощные высокочастотные транзисторы, благодаря чему обеспечивается широкая полоса ООС. С коллекторов транзисторов 10, 13 сигнал поступает на токовые зеркала на транзисторах 17, 19. Так как коэффициент передачи по току этих транзисторов благодаря диодам 9, 14 и резисторам 8, 15, 16, 20 близок к 1, то термостабильность тока транзисторов 17, 19 целиком зависит от тока транзисторов 10, 13, а фазовая задержка сигнала минимальна. С коллекторов транзисторов 17, 19 сигнал поступает на базы транзисторов 23, 26. Источник напряжения 18 задает рабочий ток транзисторов 23, 26. С эмиттеров транзисторов 23, 26 сигнал через резисторы 24, 25 поступает на выход усилителя.

Так как базовый ток транзисторов 23, 26 фактически является током коллекторов транзисторов 10, 13, то транзисторы 10, 13 управляют работой транзисторов 23, 26. И появление сигнала ошибки на выходе усилителя вызывает изменение тока транзисторов 23, 26 в десятки раз большее, чем изменение токов транзисторов 10, 13, так осуществляется местная ООС с параллельной работой транзисторов 10, 13, 23, 26 на общую выходную нагрузку. При этом цепь местной ООС не связана с входным каскодным усилителем и может иметь худшие частотные свойства, чем цепь на транзисторах 1, 10, 13.

С коллекторов транзисторов 23, 26 сигнал поступает на вторую пару токовых зеркал на транзисторах 30, 32. Элементы 21, 22, 27-29, 33 задают рабочий режим транзисторам 30, 32 аналогично выше описанному. С коллекторов транзисторов 30, 32 сигнал поступает на базы транзисторов 38, 39. Источник напряжения 31 задает смещение на базы транзисторов 38, 39 так, чтобы начальный ток этих транзисторов был близок к нулю.

Через дроссель 42 усиленный сигнал с эмиттеров 38, 39 поступает на выход усилителя. Резисторы 34, 35 совместно с дросселем 42 уменьшают усиление транзисторов 38, 39 на высоких частотах, создавая условия для устойчивой работы схемы. Так как базовый ток транзисторов 38, 39 задается током коллекторов транзисторов 23, 26, здесь замыкается третья цепь местной ООС, а транзисторы 38, 39, благодаря дроссельной коррекции, могут иметь худшие частотные свойства, чем транзисторы 23, 26, без потери общей устойчивости. А так как ток транзисторов 38, 39 в десятки раз больше тока транзисторов 23, 26, то они должны иметь соответственно большую мощность, а более мощные транзисторы имеют худшие частотные свойства.

С коллекторов транзисторов 38, 39 сигнал поступает на третью пару токовых зеркал на транзисторах 44, 45. Элементы 36, 37, 40, 41, 43, 46 задают рабочий режим транзисторов 44, 45 аналогично выше описанному. С коллекторов транзисторов 44, 45 сигнал поступает на базы четвертого повторителя на транзисторах 49, 50. Усиленный сигнал с эмиттеров транзисторов 49, 50 через дроссель 48 поступает на эмиттера транзисторов 38, 39. Таким образом, через эмиттера транзисторов 38, 39 замыкается четвертая цепь местной ООС.

Резистор 47, совместно с дросселем 48, уменьшает усиление транзисторов 49, 50 на высоких частотах, придавая каскаду необходимую устойчивость.

По дросселю 42 течет совместный ток повторителей на транзисторах 38, 39, 49, 50 и соответственно транзисторы 38, 39 уменьшают большой ток искажений от транзисторов 49, 50. Таким образом, выходной четвертый повторитель выдает на выход усилителя наибольший, но низкочастотный и сильно искаженный ток, который последовательно корректируется всеми предыдущими звеньями усилителя.

В результате искажения сигнала на выходе имеют минимальную величину при высокой устойчивости и термостабильности схемы, и усилитель имеет максимально высокий коэффициент демпфирования.

Литература

1. Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2004, с.129.

2. Ашкинази Л. Динозавры двадцатого века. - ж. Наука и жизнь, 2004 г., №8, с.89.

3. Ежков Ю. А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002, с.96, рис.5.35.

Звеньевой усилитель тока, содержащий первый источник тока, одним концом соединенный с плюсом источника питания, первый источник напряжения, одним концом соединенный с другим концом первого источника тока, второй источник тока, одним концом соединенный с другим концом первого источника напряжения, а другим концом с минусом источника питания, первый транзистор обратной проводимости, базой соединенный с точкой соединения первого источника тока с первым источником напряжения, первый резистор, одним концом соединенный с эмиттером первого транзистора обратной проводимости, а другим концом с выходом усилителя, первый транзистор прямой проводимости, базой соединенный с точкой соединения первого источника напряжения со вторым источником тока, второй резистор, одним концом соединенный с эмиттером первого транзистора прямой проводимости, а другим концом с выходом усилителя, третий резистор, одним концом соединенный с плюсом источника питания, четвертый резистор, одним концом соединенный с минусом источника питания, второй транзистор прямой проводимости, базой соединенный с коллектором первого транзистора обратной проводимости, второй транзистор обратной проводимости, базой соединенный с коллектором первого транзистора прямой проводимости, отличающийся тем, что введен третий транзистор обратной проводимости, эмиттером соединенный со входом усилителя, а коллектором с базой первого транзистора обратной проводимости, введен пятый резистор, одним концом соединенный с выходом усилителя, а другим концом с базой третьего транзистора обратной проводимости, введен первый диод, анодом соединенный со входом усилителя, а катодом с базой третьего транзистора обратной проводимости, введен конденсатор, одним концом соединенный с базой, а другим концом с коллектором третьего транзистора обратной проводимости, введен второй диод, анодом соединенный с третьим резистором, а катодом с базой второго транзистора прямой проводимости, введен третий диод, катодом соединенный с четвертым резистором, а анодом с базой второго транзистора обратной проводимости, введен шестой резистор, одним концом соединенный с плюсом источника питания, а другим концом с эмиттером второго транзистора прямой проводимости, введен седьмой резистор, одним концом соединенный с минусом источника питания, а другим концом с эмиттером второго транзистора обратной проводимости, введен второй источник напряжения, включенный между коллекторами вторых транзисторов, введен четвертый транзистор обратной проводимости, базой соединенный с коллектором второго транзистора прямой проводимости, введен восьмой резистор, одним концом соединенный с выходом усилителя, а другим концом с эмиттером четвертого транзистора обратной проводимости, введен девятый резистор, одним концом соединенный с плюсом источника питания, введен четвертый диод, анодом соединенный с другим концом девятого резистора, а катодом с коллектором четвертого транзистора обратной проводимости, введен десятый резистор, одним концом соединенный с выходом усилителя, введен третий транзистор прямой проводимости, базой соединенный с коллектором второго транзистора обратной проводимости, а эмиттером с другим концом десятого резистора, введен пятый диод, анодом соединенный с коллектором третьего транзистора прямой проводимости, введен одиннадцатый резистор, одним концом соединенный с катодом пятого диода, а другим концом с минусом источника питания, введен четвертый транзистор прямой проводимости, базой соединенный с коллектором четвертого транзистора обратной проводимости, введен двенадцатый резистор, одним концом соединенный с плюсом источника питания, а другим концом с эмиттером четвертого транзистора прямой проводимости, введен третий источник напряжения, одним концом соединенный с коллектором четвертого транзистора прямой проводимости, введен пятый транзистор обратной проводимости, базой соединенный с коллектором третьего транзистора прямой проводимости, а коллектором с другим концом третьего источника напряжения, введен тринадцатый резистор, одним концом соединенный с эмиттером пятого транзистора обратной проводимости, а другим концом с минусом источника питания, введен четырнадцатый резистор, одним концом соединенный с коллектором четвертого транзистора прямой проводимости, а другим концом с выходом усилителя, введен пятнадцатый резистор, одним концом соединенный с выходом усилителя, а другим концом соединенный с коллектором пятого транзистора обратной проводимости, введен шестой транзистор обратной проводимости, базой соединенный с коллектором четвертого транзистора прямой проводимости, введен пятый транзистор прямой проводимости, базой соединенный с коллектором пятого транзистора обратной проводимости, а эмиттером с эмиттером шестого транзистора обратной проводимости, введен первый дроссель, одним концом соединенный с эмиттером шестого транзистора обратной проводимости, а другим концом с выходом усилителя, введен шестнадцатый резистор, одним концом соединенный с плюсом источника питания, введен шестой диод, анодом соединенный с другим концом шестнадцатого резистора, а катодом с коллектором шестого транзистора обратной проводимости, введен седьмой диод, анодом соединенный с коллектором пятого транзистора прямой проводимости, введен семнадцатый резистор, одним концом соединенный с катодом седьмого диода, а другим концом с минусом источника питания, введен шестой транзистор прямой проводимости, базой соединенный с коллектором шестого транзистора обратной проводимости, введен восемнадцатый резистор, одним концом соединенный с плюсом источника питания, а другим концом с эмиттером шестого транзистора прямой проводимости, введен седьмой транзистор обратной проводимости, базой соединенный с коллектором пятого транзистора прямой проводимости, а коллектором соединенный с коллектором шестого транзистора прямой проводимости, введен девятнадцатый резистор, одним концом соединенный с эмиттером седьмого транзистора обратной проводимости, а другим концом с минусом источника питания, введен двадцатый резистор, одним концом соединенный с коллектором седьмого транзистора обратной проводимости, а другим концом с эмиттером шестого транзистора обратной проводимости, введен восьмой транзистор обратной проводимости, базой соединенный с коллектором шестого транзистора прямой проводимости, а коллектором с плюсом источника питания, введен седьмой транзистор прямой проводимости, базой соединенный с коллектором седьмого транзистора обратной проводимости, эмиттером с эмиттером восьмого транзистора обратной проводимости, а коллектором с минусом источника питания, введен второй дроссель, одним концом соединенный с эмиттером шестого транзистора обратной проводимости, а другим концом с эмиттером восьмого транзистора обратной проводимости.