Усилитель напряжения с повышенной линейностью
VOLTAGE AMPLIFIER WITH HIGH LINEARITY

Изобретение относится к области электротехники и аналоговой микроэлектроники и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в составе микросхем различного функционального назначения.
Известен аналог, описанный в патенте США №3538449 (от 1970.11.03), представляющий собой монолитный дифференциальный усилитель, содержащий в своем составе дифференциальный каскад (ДК), второй каскад усиления напряжения, выходной каскад.
Недостатками аналога являются необходимость в двух дополнительных источниках опорного тока (ИОТ) для питания дополнительных транзисторов в ДК, а также использование в составе второго каскада дополнительного транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя, что ухудшает подавление пульсаций напряжения питания, проникающих на выход схемы (КОИП, PSRR) и увеличивает энергопотребление.
Наиболее близким аналогом (прототипом) можно считать схему усилителя напряжения из состава операционного усилителя LH0024, приведенной в документе «Application Note 253 LH0024 and LH0032 High Speed Op Amp Applications» (интернет ссылка на сайте фирмы - изготовителя: http://www.ti.com/lit/an/snoa643/snoa643.pdf). Схема прототипа содержит входной ДК с ИОТ, диод, катод которого соединен с первым выходом ДК, а анод - с первым резистором, транзистор второго каскада, эмиттер которого соединен со вторым резистором и вторым выходом ДК, база соединена с первым выходом ДК, а коллектор соединен с ИОТ и выходом второго каскада (входом третьего каскада). Первый и второй резисторы соединены с шиной питания положительной полярности, а ИОТ соединены с шиной питания отрицательной полярности. Недостатком аналога являются недостаточная линейность второго каскада, работающего с большим уровнем сигнала, вследствие влияния эффектов Эрли и Миллера.
Задача изобретения состоит в повышении линейности усилителя напряжения в целом, за счет повышения линейности второго каскада усилителя напряжения.
Технический результат изобретения выражается в повышении линейности усилителя напряжения при сохранении потребляемого тока и значения КОИП.
Технический результат изобретения достигается тем, что в усилителе напряжения устанавливается дополнительный транзистор, питаемый от тока предыдущего каскада таким образом, что этот транзистор одновременно выполняет функции повторителя напряжения для задания напряжения на базе другого транзистора, работающего с большим размахом напряжения, и повторителя тока ошибки, возвращаемого в эмиттер этого другого транзистора, для быстрого восстановления усилителя после перегрузок обеспечена возможность установки первого дополнительного диода, а для выравнивания потенциалов выходов дифференциального каскада - второго дополнительного диода, для дополнительного повышения усиления и линейности обеспечена возможность использования двух групп каскадов, выполненных на транзисторах разного типа проводимости и включенных по комплементарной двухтактной схеме.
Схема предложенного изобретения приведена на фиг. 1, фиг. 2.
1 - входной ДК;
2 - ИОТ;
3, 4- резисторы;
5 - транзистор второго каскада;
6 - ИОТ;
7 - выход усилителя напряжения;
8 - шина питания положительной полярности;
9 - шина питания отрицательной полярности;
10 - дополнительный транзистор;
11, 12 - дополнительные диоды;
13 - входной ДК нижнего плеча;
14 - транзистор второго каскада нижнего плеча;
15, 16 - резисторы нижнего плеча;
17 - дополнительный транзистор нижнего плеча;
18, 19 - дополнительные диоды нижнего плеча.
21Э
21Э
21Э
21Э
Усилитель напряжения с повышенной линейностью показан на фиг. 1 и содержит входной ДК (1) с ИОТ (2), резистор (3), соединенный со вторым выходом ДК(1), транзистор второго каскада (5), эмиттер которого соединен с резистором (4), база соединена с первым выходом ДК (1), а коллектор соединен с ИОТ (6) и выходом (7). Резисторы (3, 4) соединены с шиной питания положительной полярности (8), а ИОТ (2, 6) соединены с шиной питания отрицательной полярности (9). В схему вновь введен дополнительный транзистор (10), база которого соединена с резистором (3), эмиттер соединен с базой транзистора второго каскада (5), коллектор соединен с эмиттером транзистора второго каскада (5). При таком включении, дополнительный транзистор (10) выполняет сразу три функции одновременно: во-первых, он обеспечивает низкоимпедансную точку для базы транзистора второго каскада (5), снижая тем самым влияние эффектов Миллера и Эрли на усиление, во-вторых, транслирует выходной ток с первого выхода ДК на эмиттер транзистора второго каскада (5), одновременно питаясь этим током, и в-третьих, возвращает в эмиттер транзистора второго каскада (5) нелинейный (вследствие нелинейности коллекторно-базовой емкости) динамический ток его базы, осуществляя его компенсацию (с относительной погрешностью примерно 1/|h(10)|+1/|h(5)|, где |h(10)| - модуль коэффициента передачи тока базы дополнительного транзистора (10), а |h(5)| - модуль коэффициента передачи тока базы транзистора второго каскада (5)). Предложенное схемотехническое решение позволяет снизить уровень нелинейных искажений на выходе и одновременно с этим сохранить потребляемый усилителем напряжения ток, и высокое значение КОИП.
Для быстрого восстановления усилителя после перегрузок обеспечена возможность установки первого дополнительного диода (11), который открывается в случае выхода ДК (1) из линейного режима работы. Для выравнивания потенциалов выходов ДК (1) в схеме обеспечена возможность установки второго дополнительного диода (12), что повышает коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) ДК, КОИП и линейность усилителя напряжения.
На фиг. 2 приведен усилитель напряжения с двумя группами каскадов, включенными по двухтактной схеме. Он содержит два входных ДК (1, 13) с общим ИОТ (2), резистор (3), соединенный со вторым выходом ДК (1), транзистор второго каскада (5), эмиттер которого соединен с резистором (4), база соединена с первым выходом ДК (1), а коллектор соединен с выходом (7); резистор (15), соединенный со вторым выходом ДК нижнего плеча (13), транзистор второго каскада нижнего плеча (14), эмиттер которого соединен с резистором (16), база соединена с первым выходом ДК нижнего плеча (13), а коллектор соединен с выходом (7). Резисторы (3, 4) соединены с шиной питания положительной полярности (8), а резисторы (15, 16) соединены с шиной питания отрицательной полярности (9). В схему введены дополнительные транзисторы (10, 17), базы которых соединены с резисторами (3) и (15) соответственно, эмиттеры соединены с базами транзисторов (5) и (14) соответственно, коллекторы соединены с эмиттерами транзисторов (5) и (14) соответственно. Вновь введенные в схему транзисторы (10, 17) выполняют одновременно три функции: эмиттерных повторителей, трансляторов тока от первых выходов ДК (1, 13) и функцию возврата динамических нелинейных токов через переходы «коллектор-база» транзисторов (5, 14) в цепь их эмиттеров. Для быстрого восстановления усилителя после перегрузок обеспечена возможность установки дополнительных диодов (11, 18), которые обеспечивают работу схемы в случае выхода ДК (1, 13) из линейного режима работы. Для выравнивания потенциалов выходов ДК (1, 13) обеспечена возможность установки дополнительных диодов (12, 19), что повышает КОСС, КОИП и линейность усилителя напряжения. Усилитель напряжения (фиг. 2) обеспечивает по сравнению с усилителем напряжения (фиг. 1) в два раза больший коэффициент передачи по напряжению и сниженный уровень гармонических искажений четного порядка.
На схемах фиг. 1 и фиг. 2 не показаны цепи частотной коррекции. Типовой вариант частотной коррекции состоит в подключении RC - цепей параллельно резисторам (3) и (15). Приближенный расчет коэффициента передачи схемы усилителя напряжения, показанного на фиг. 1 выполняется по формуле K=Rн/2Rэ*(R1/R2+1), а усилителя напряжения, показанного на фиг. 2 - по формуле K=Rн/2Rэ*(R1/R2+R3/R4+2). Для получения максимальной линейности схемы (фиг. 2) желательно выбрать равными резисторы R1=R3 и R2=R4. По результатам моделирования и экспериментальных проверок, количественно повышение линейности выражается в снижении уровня гармонических искажений на величину 6÷15 дБ, в зависимости от номера гармоники.
Что касается типов активных приборов, то на приведенных схемах фиг. 1 и фиг. 2 использованы биполярные транзисторы, однако описанный способ линеаризации может быть реализован и при использовании полевых транзисторов (ПТ), а также сочетания транзисторов разных типов (например, с реализацией ДК на ПТ с управляющим переходом, и применением МОП транзисторов во втором каскаде вместо биполярных).