ШИРОКОПОЛОСНЫЙ НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ УРОВНЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И ШУМОВ
BROADBAND NON-INVERTING AMPLIFIER WITH LOW NON-LINEAR NOISE AND HARMONIC DISTORTION

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в т.ч. ВЧ- и СВЧ-диапазонов.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные неинвертирующие усилители (ШНУ), обеспечивающие усиление по мощности и преобразование входных сигналов [1-15].
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ШНУ фиг.1, представленная в патенте US 5.512.859, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1÷17]. Во многих практических случаях выходной неинвертирующий каскад ШНУ реализуется по схеме с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3), причем такое решение ШНУ является классическим для его многих применений [16-17].
Существенный недостаток известного ШНУ фиг.1 (фиг.2, фиг.3) состоит в том, что он характеризуется повышенным уровнем нелинейных искажений, который измеряется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШНУ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШНУ [16, 17].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном неинвертирующем усилителе фиг.1 (фиг.2, фиг.3), содержащем неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - между входом 2 и выходом 6 устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель 7, второй 8 и третий 9 дополнительные резисторы, причем общий узел 10 второго 8 и третьего 9 дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада 11, токовый выход которого 12 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена функциональная схема усилителя-прототипа фиг.1.
На фиг.3 показана схема, соответствующая фиг.2, в которой дан конкретный пример построения неинвертирующего выходного каскада 1 со стабильным коэффициентом передачи на основе операционного усилителя A1 и резисторов R1 и R2.
ош
вх
На фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения U моделирует генерацию нелинейных искажений в схеме фиг.4, обусловленных неинвертирующим выходным каскадом 1, а также шумов и наводок различной природы. Как правило, это вторая, третья и другие гармоники основного сигнала u.
На фиг.5 приведена схема фиг.4 в среде PSpice, на базе которой проведено компьютерное исследование заявляемого устройства. Здесь корректирующий каскад 11 моделируется элементом G1.
<mrow><msub><mrow><mtext>(S</mtext></mrow><mrow><mtext>11</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mtext>Gain)</mtext></mrow>
<mrow><mtext>11 Gain</mtext><mo>=</mo><mtext>0</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>м</mi><mi>В</mi></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>V</mi><mn>4</mn><mo>=</mo><mn>1</mn><mi>м</mi><mi>В</mi></mrow>
<mrow><mtext>F(V4)</mtext><mo>=</mo><mtext>30кГц</mtext><mtext>.</mtext></mrow>
На фиг.6 показан спектр выходного напряжения заявляемого устройства фиг.5 при значении крутизны
корректирующего каскада
при входном напряжении
с частотой
, а также напряжении ошибки
, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники
11
11
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>м</mi><mi>В</mi></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>V</mi><mn>4</mn><mo>=</mo><mn>1</mn><mi>м</mi><mi>В</mi></mrow>
<mrow><mtext>F(V4)</mtext><mo>=</mo><mtext>30кГц</mtext><mtext>.</mtext></mrow>
На фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S=Gain корректирующего каскада 11S=Gain=1 См при входном напряжении
с частотой
, а также напряжении ошибки
, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники
Сравнение фиг.6 и фиг.7 показывает, что амплитуда третьей гармоники на выходе заявляемого устройства фиг.5 уменьшилась (за счет новых связей) с 1 мВ до 2,3 мкВ, т.е. более чем в 400 раз.
11
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>U</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>м</mi><mi>В</mi></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>10</mn><mi>к</mi><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>V</mi><mn>4</mn><mo>=</mo><mn>1</mn><mi>м</mi><mi>В</mi></mrow>
<mrow><mtext>F(V4)</mtext><mo>=</mo><mtext>30кГц</mtext><mtext>.</mtext></mrow>
На фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 11S=Gain=5 См при входном напряжении
с частотой
, а также напряжении ошибки
, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники
Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась более чем в 2000 раз.
На фиг.9 приведена схема ШНУ фиг.4 в среде PSpice, в котором выходной каскад 1 реализован (для подтверждения эффективности заявляемого устройства) по двухтактной схеме с заведомо большой зоной нечувствительности и имеет типовые нелинейные искажения (фиг.10), описанные в учебной литературе.
На фиг.10 представлена осциллограмма выходного напряжения устройства фиг.9 при синусоидальном входном сигнале и Gain=0, т.е. ШНУ-прототипа.
На фиг.11 показана осциллограмма выходного напряжения ШНУ фиг.10 в увеличенном масштабе (Gain=0).
На фиг.12 представлена осциллограмма выходного напряжения схемы ШНУ фиг.9 при Gain=0.01 См.
На фиг.13 показана осциллограмма выходного напряжения ШНУ фиг.12 в увеличенном масштабе при Gain=0.01 См.
На фиг.14 приведена осциллограмма фиг.13 выходного напряжения схемы фиг.9 в увеличенном масштабе при Gain=0.1 См.
На фиг.15 показана осциллограмма выходного напряжения схемы фиг.9 при Gain=l См.
На фиг.16 представлена осциллограмма фиг.15 выходного напряжения в увеличенном масштабе при Gain=1 См. Из данного графика следует, что предлагаемое схемотехническое решение фиг.9 компенсирует существенные нелинейные искажения, обусловленные неинвертирующим выходным каскадом 1.
На фиг.17 показана схема ШНУ фиг.4 с заведомо большой зоной нечувствительности в выходном неинвертирующем каскаде 1, которая использовалась для моделирования в среде PSpice спектра выходного сигнала заявляемого устройства.
вх
3
На фиг.18 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=0 и при входном напряжении u=U(in)=3В с частотой F(in)=10кГц. Фактически распределение гармоник фиг.18 соответствует свойствам ШНУ-прототипа.
вх
3
На фиг.19 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=5 См и входном напряжении u=U(in)=3В с частотой F(in)=10кГц.
Сравнение графиков фиг.18 и фиг.19 показывает, что амплитуды третьей, пятой и седьмой гармоник в заявляемой схеме ШНУ фиг.17 уменьшаются более чем в 1000 раз.
Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов (фиг.4) содержит неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1. Между входом 2 и выходом 6 устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель 7, второй 8 и третий 9 дополнительные резисторы, причем общий узел 10 второго 8 и третьего 9 дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада 11, токовый выход которого 12 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1.
На фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 11 используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.
Кроме этого, на фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 11 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями. На практике маломощный и неискажающий сигнал буферный усилитель 7 реализуется на основе каскада с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3) [16, 17].
ош
Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.4, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в неинвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений u с частотой третьей гармоники 30 кГц.
10
ош
ош
Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 связан, во-первых, с выделением в узле 10 сигнала ошибки u~u, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих u на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой 30 кГц):
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo></mrow>
вх
c
вх
вых
При этом следует заметить, что в узле 10 отсутствует входной усиливаемый сигнал u с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 10 двух его противофазных составляющих u=-u и u.
10
ош
ош
Выделенная таким образом ошибка u≈u/2 вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 11 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение u, генерируемое этим выходным каскадом.
11
ош
вых
Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 11 (S=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений u полностью передается в нагрузку 5. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 6 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 30 кГц имеет амплитуду u=1 мВ.
11
ош
11
При введении цепи коррекции 11, имеющей крутизну S=1 См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.4 с частотой 30 кГц уменьшается в 500 раз с 1 мВ до 2,3 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления u достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно. Аналогичные выводы можно сделать и в результате сравнения амплитуд выходных гармоник ШНУ фиг.18 и фиг.19 - в предлагаемой схеме все паразитные гармоники уменьшаются более чем в 1000 раз.
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по уровню подавления нелинейных искажений и шумов. Кроме этого, как показывает моделирование, предлагаемая структура широкополосного усилителя позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения
устройства в целом при малых значениях
в выходном неинвертирующем каскаде 1.
Источники информации
1. Патент US 5.241.283 fig.6.
2. Патентная заявка US 2004/0080371.
3. Патентная заявка US 2006/0132238.
4. Патент JP 10242777.
5. Патент US 4.607.235.
6. Патентная заявка US 2006/0087369 fig. 6.
7. Патентная заявка US 2006/0220590.
8. Патент US 4.335.359.
9. Патент US 4.510.458.
10. Патент US 5.237.526 fig. 2 В.
11. Патентная заявка US 2005/0122170.
12. Патентная заявка US 2005/0035821.
13. Патент US 6.107.884 fig. 2.
14. Патент US 5.225.791.
15. Патентная заявка US 2002/00057592.
16. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография / Н.Н.Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.
17. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.