Усилитель

го 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для усиления электрических сигналов с высоким быстродействием в системахс ограниченным ресурсом питания,Цель изобретения - увеличение точности передачи формы быстроизменяющихся сигналов,На чертеже представлена принципиальная электрическая схема усилителя.Усилитель содержит первый 1, второй 2 транзисторы п-р-п-типа, третий 3, четвертый 4 транзисторыр-п-р-типа, первый 5, второй б,резисторы, пятый 7, шестой 8 транзис торы п-р-п-типа, источник 9 смещения, первый управляемый источник 10тока, элемент 11 смещения, второйуправляемый источник 12 тока, выходной каскад 13, выполненный на седьмом14 и восьмом 15 транзисторах р-и-ри и-р-и-типа соответственно, двух"тактном усилителе тока, а такжепервый 16 и второй 17 транзисторыи-р-и-типа динамической нагрузки,резистор 18 и конденсатор 19.Усилитель работает следующим образом.,При включении усилителя с ООСвходной каскад предлагаемой структуры обладает лучшими характеристикамиустановления выходного напряжения изначительно меньше искажает сигналы,имеющие высокую скорость нарастания.Эти искажения связаны с наличиемположительной обратной связи (ПОС)в структуре входного каскада, замыкающейся через первый управляемыйисточник 10 тока на базу транзистора 8. ПОС включается только приподаче положительных перепадов напряжения, а поэтому искаженными оказываются передние фронты и прилегающая к ним часть вершины положительных импульсов. Возникновение искажений объясняется задержкой выключенияПОС из-за паразитных емкостеи схемы,однако в предлагаемом усилителе этиискажения проявляются в значительноменьшей степени.В усилителе число диодов в источнике 9 смещения равно трем. Такоеколичество диодов позволяет обеспечить начальные токи смещения во всехтранзисторах входного каскада, вследствие чего гарантируетея его высокая линейность при любом включении усилителя. При этом в момент уравновешивания весь избыточный ток ПОСпоступает в базу транзистора 7, выходной ток управляемого источника 12тока быстро увеличивается, что приводит к значительному ускорению выключения ПОС, В результате задержкавыключения ПОС во входном каскадепредлагаемого усилителя оказываетсяв несколько раз меньшей, чем в известном усилителе, Вследствие этогосущественно уменьшается амплитудавыбросов и повышается частота колебательного процесса. Возрастаниечастоты искажений способствует ихдополнительному ослаблению на выходеусилителя из-за ограниченности час-.тотных свойств выходного каскада 13.Дальнейшее ослабление нелинейнойсоставляющей осуществляется с помощью конденсатора емкостью 10-30 пФ,включаемого между объединенными эмиттерами транзисторов 1 и 2 и выходомуправляемого источника 10 тока. Врезультате входной каскад усилителяпрактически не вносит искажений,)связанных 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 при 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 входомего входного каскада могут быть только объединенные базы транзисторов 2и 4, а инвертирующим - базы транзисто 5ров 1 и 3. В таком виде усилительвполне работоспособен практически слюбыми 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 входномкаскаде и цепью внешней ООС, соединяющей в рассматриваемом вариантеусилителя его выход с базами транзисторов 1 и 3, охвачены два разных независимых контура. Положительной обратной связью охвачены транзисторы4 и 8 через управляемый источник 10тока, а ООС замыкается через транзисторы 3 и 7, выходной каскад 13 и внешнюю цепь обратной связи. Вследствиеэтого ООС никак не ограничивает глубину ПОС при увеличении дифференциального сигнала между входами усилителя 3 Обольше некоторой величины, что соответствует переходу в режим большогосигнала, усилитель становится неустойчивым, а форма передаваемого сигналаполностью искажается.Следовательно, для реализации цели35изобретения необходимо, чтобы входнойкаскад усилителя имел фаэировку входов, показанную на чертеже, а выходной каскад был бы инвертирующим. Втаком случае цепь ПОС оказываетсяохваченной петлей внешней ООС, а ноэтому связанные с ней искажения сигнала значительно ослабляются. Однакопри этом выходами входного каскада13 могут быть только коллекторы транзисторов 3 и 8, которые соединеныс входами управляемых источников 10и 12 тока. Такое соединение являетсянеобходимым, а поэтому испольэоватьвыходные каскады, применяемые обычнов известных усилителях, в данномслучае невозможно. При этом единственным вариантом выходного каскада13, позволяющим реализовать цельизобретения, является структура, показанная на чертеже. Транзисторы14 и 15 выходного каскада 13 выполняются согласованными с диодами управ" 158052 6ляемых источников 10 и 12 тока, чтопозволяет передать сигнал с выходоввходного каскада на выход усилителяс минимальными искажениями даже приочень высоких скоростях нарастаниявходного сигнала. Кроме того, частотные свойства применяемого выходного каскада 13 весьма блиэки к частотным характеристикам в петле ПОС, чтоявляется необходимым условием эффективного подавления искажений, возникающих из-эа наличия ПОС, с помощьювнешней петли ООС при минимальнойпотребляемой мощности.Коллекторы транзисторов 1 и 2должны быть подключены к положительной шине питания, Возможно непосредственное соединение, однако показан"ное на чертеже соединение через транзисторы 16 и 17 позволяет обеспечитьминимальную емкость,. приведенную квходам усилителя.Необходимость соединения коллекто"ров транзисторов 1 и 2 с шиной питания для увеличения точности определяется следующим. Известно, что высокая точность любого усилителя с дифференциальным входом обеспечиваетсятолько в том случае, если при дифференциальном сигнале, равном нулю,потенциал на выходе усилителя такжеравен нулю. Такое условие при соединении коллекторов транзисторов 1 и 2с эмиттерами транзисторов 7 и 8 выполнить невозможно, поскольку на входуправляемого источника 10 тока в таком случае поступал бы ток, равныйсумме коллекторного тока транзистора1 и эмиттерного тока транзистора 4,а на вход управляемого источника 12тока - только коллекторный ток транзистора 3, равный при отсутствии дифференциального сигнала эмиттерномутоку транзистора 4. Поскольку параметры интегральных р - п-р- и и-р-итранзисторов никак не согласуютсядруг с другом, токи, поступающие навходы обоих управляемых источников10 и 12.тока, в таком случае оказыва-ются непредсказуемо различными, апоэтому разнымиоказываются коллекторные токи транзисторов 14 и 15 выходного каскада 13, Чтобы в таких условиях потенциал на выходе усилителястал равным нулю, эти токи необходи.мо уравнять, что может быть обеспече-.но только за счет подачи на неинвертирующий вход усилителя отрицательногонапряжения, эквивалентного напряженйю сдвига, причем эта ошибка проявляется как в статике, так и в режиме большого сигнала. Для устранения это 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 веются одинаковыми, поскольку при отсутствии дифференциального сигнала коллекторные токи транзисторов .3, 7 и 4, 8 при их взаимной согласованност 1 я равны, При этом ошибка дополни" 15 тельного сдвига на входе усилителя отсутствует, а транзисторы 1 и 2 вообще не используются для усиления .и лишь выполняют функции элементов сдвига уровня, 20Элемент 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 значительноболее 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. 35формула изобретения1, Усилитель, содержащий входной каскад, выполненный на первом и вто 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 45 соединены с базами первого и второго транзисторов и-р-и-типа соответствен"1но, пятом и шестом транзисторах п-р-п-типа, эмиттеры которых соедийены с первыми выводами соответстВенно .первого и второго транзисторов п-р-п-типа, абазы подключены к перному выводу источника смещения и к выходу первого управляемого источника тока, общий вывод которого подклю-. 55 чен к.положительной шине источника питания, при этом коллектор тоетьеге транзистора р-и-р-типа соединен свходом второго управляемого источникатока, общий вывод которого подключенк отрицательной шине источника питания, а выход - к эмиттерам первогои второго транзисторов п-р-п-типа,выходной каскад, выполненный на седьмом и восьмом транзисторах р-и-р- ии-р-и-типов соответственно, включенных .по схеме с общим эмиттером, и двухтактном усилителе тока, вход которого соединен с коллектором седьмогои восьмого транзисторов р-и-р- ии"р-и-типов соответственно, а выходявляется выходом усилителя, при этомбазы седьмого и восьмого транзисторовр-и-р- и и-р-и-типов соответственносоединены через элемент смещения,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью увеличения точности передачиформы быстроизменяющихся сигналов,эмиттеры третьего и четвертого транзисторов р-и - р-типа соединены с вторыми выводами соответственно первогои второго резисторов коллекторы пятого и четвертого транзисторов и-р-пи р-и-р-типов соответственно подключены к положительной и отрицательнойшинам источника питания соответственно, коллектор шестого транзисторап-р-.п-типа подключен к входу первогоуправляемого источника тока и к базеседьмого транзистора р-п-р-типа, базавосьмого транзистора и-р-и-типа соединена с входом второго управляемогоисточника тока, выход которого подклю"чен к второму выводу источника смещения, при этом коллекторы первогои второго транзисторов и-р-и-типаподключены к положительной, шине источника питания,2. Усилитель по п. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что коллекторы первого и второго транзисторов и-р-птипа подключены к положительной шине источника питания через введенные соответственно первый и второй транзисторы и-р - п-типа, базыкоторых подключены к выходу первого управляемого источника тока.3, Усилитель по пп. 1 и Л, о т . - л и ч а ю щ и й с я тем, что источник смещения выполнен на трех диодах, включенных последовательно в прямом. напоавлении.