Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

 

Использование: радиотехника, устройства радиосвязи. Сущность изобретения: усилитель с регулируемым коэффициентом усиления содержит входной транзистор 1, первый транзистор 2, регулирующий транзистор 3, выходной транзистор 4, источник тока 5 и повторитель напряжения 6 и обладает малыми нелинейными искажениями, устойчивостью и стабильностью параметров. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в устройствах радиосвязи.

Известны устройства электронной регулировки усиления, позволяющие с помощью внешнего управляющего напряжения обеспечить автоматическую регулировку усиления (АРУ) сигнальных трактов [1] и [2]. В системах АРУ одним из важнейших параметров является динамический диапазон входных сигналов (ДД), который связан, с одной стороны, с чувствительностью или с уровнем собственных шумов, а с другой - с проявлением нелинейных свойств [3]. Для использования в устройствах с большим ДД требуется такой узел регулировки уровня (регулируемый усилитель), который минимально влияет на коэффициент шума и линейность усилительного тракта. Из большого числа известных усилителей и узлов с регулировкой коэффициента передачи для использования в устройствах с высоким ДД можно выбрать следующие схемы, отличающиеся высокой линейностью [1]: управляемый аттенюатор с электронной регулировкой коэффициента передачи. Элементами такого аттенюатора могут быть p-i-n-диоды, полевые транзисторы, управляемые резисторы оптронных пар. Эти элементы обладают высокой линейностью. К недостаткам таких узлов следует отнести конечное значение сопротивления в режиме минимального затухания, что приводит к увеличению коэффициента шума в тракте усиления; усилитель с регулируемой отрицательной обратной связью (ООС) с использованием управляемого резистора на основе тех же элементов; усилитель с резонансной нагрузкой, шунтируемой управляемым резистором.

К недостаткам последних двух усилителей следует отнести изменение ряда параметров при работе АРУ, таких как полоса пропускания, входное сопротивление, фазочастотная характеристика. Значительна потребляемая мощность узлов на p-i-n-диодах и оптронах.

Наиболее близким к изобретению является усилитель с регулируемым коэффициентом, содержащий последовательно соединенные по постоянному току входной транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, и первый транзистор, включенный по схеме с общей базой, а также регулирующий транзистор, эмиттер которого подключен к точке соединения коллектора входного с эмиттером первого транзистора, а базы первого и регулирующего транзисторов являются входами опорного и управляющего сигналов соответственно [4].

Однако известный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления недостаточно линеен, устойчив и стабилен при работе в широком диапазоне изменений управляющего сигнала.

Цель изобретения - снижение нелинейных искажений, повышение устойчивости и стабильности параметров.

Для этого в усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, содержащий последовательно включенные по постоянному току входной транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, и первый транзистор, включенный по схеме с общей базой, а также регулирующий транзистор, эмиттер которого подключен к точке соединения коллектора входного с эмиттером первого транзистора, а базы первого и регулирующего транзисторов являются входами опорного и управляющего сигналов соответственно, введены выходной транзистор, включенный по схеме с общей базой, включенный последовательно по постоянному току с первым транзистором, источник тока, подключенный к эмиттеру выходного транзистора, и повторитель напряжения, включенный между эмиттером выходного и коллектором регулирующего транзисторов.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема усилителя с регулируемым коэффициентом усиления; на фиг.2 и 3 - принципиальные электрические схемы усилителя с регулируемым коэффициентом усиления при выполнении повторителя напряжения на транзисторах одной и разной проводимости соответственно.

Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления содержит входной транзистор 1, первый транзистор 2, регулирующий транзистор 3, выходной транзистор 4, источник тока 5 и повторитель напряжения 6, а также резистор 7, нагрузку 8, источник напряжения 9 и дополнительный источник тока 10.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал поступает на базу входного транзистора 1. Сопротивление резистора 7 обратной связи (R_ос) в цепи эмиттера входного транзистора 1 обеспечивает так же, как и в известном усилителе с регулируемым коэффициентом усиления, требуемую линейность и высокое входное сопротивление входного каскада. Коллекторной нагрузкой входного транзистора 1 является параллельное включение эмиттеров транзисторов 2 и 3. Когда управляющий сигнал U_АРУ мал, регулирующий транзистор 3 закрыт. В этом случае весь ток коллектора входного транзистора 1 проходит в эмиттер первого транзистора 2. Ток эмиттера выходного тpанзистора 4 складывается из тока коллектора первого транзистора 2 и тока источника тока 5. При этом изменение (переменная составляющая) тока коллектора выходного транзистора 4 примерно равно изменению тока коллектора входного транзистора 1. Коэффициент усиления такого усилителя приблизительно определяется формулой K_и≈ Линейность усиления в режиме без работы АРУ определяется линейностью входного каскада на входном транзисторе 1. Устойчивость к самовозбуждению высокая, так как выходное напряжение очень мало влияет на ток входного транзистора 1, поскольку на коллекторе входного транзистора 1 присутствует небольшая часть выходного напряжения после прохождения через цепи обратной связи транзисторов 2 и 4.

Рассмотрим режим работы АРУ, в частности, когда опорный и управляющий сигналы на базах транзисторов 2 и 3 равны (U_АРУ = U_бз). При этом половина сигнального тока (переменной составляющей) входного транзистора 1 отбирается регулирующим транзистором 3 и коэффициент усиления устройства уменьшается примерно в 2 раза. На коллекторе выходного транзистора 4 выделяется выходное напряжение U_вых, часть которого, определяемая коэффициентом передачи цепи обратной связи выходного транзистора 4, проходит на его базу и оттуда - на его эмиттер, поскольку коэффициент передачи по напряжению с базы на эмиттер выходного транзистора 4 близок к 1. При высоких значениях К_и, когда сопротивление нагрузки 8 велико, напряжение сигнала на эмиттере выходного транзистора 4 значительно меньше выходного напряжения U_вых, поскольку входное сопротивление каскада с общей базой мало.

Таким образом, наличие выходного транзистора 4 позволяет при сохранении уровня выходного напряжения значительно уменьшить напряжение сигнала на коллекторе первого транзистора 2 по сравнению с известным усилителем с регулируемым коэффициентом усиления.

При этом напряжение сигнала, приходящее с коллектора первого транзистора 2 на его базу через цепь внутренней обратной связи, также может быть значительно уменьшено по сравнению с известным усилителем.

Для предотвращения значительного увеличения входного сопротивления выходного транзистора 4 вследствие уменьшения тока первого транзистора 2 при работе АРУ служит источник 5 тока I_э4, который в некоторых случаях может быть выполнен в виде резистора в несколько килоом.

Повторитель напряжения 6 позволяет получить на коллекторе регулирующего транзистора 4 переменное напряжение, близкое к переменному напряжению на коллекторе первого транзистора 2.

Высокое входное сопротивление повторителя напряжения 6 обеспечивает сохранение высокого коэффициента усиления устройства. Повторитель напряжения 6 должен обеспечивать в рабочем диапазоне частот малый сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями.

При выполнении повторителя напряжения 6 по схеме, представленной на фиг. 2, необходимо включение источника напряжения 9, однако эта схема на транзисторах одной проводимости более технологична в изготовлении и обладает более высокими частотными характеристиками. Источник напряжения 9 служит для выравнивания постоянных напряжений на коллекторах транзисторов 2 и 3. Дополнительный источник тока 10 обеспечивает линейный режим работы повторителя напряжения 6 в режиме малых токов регулирующего транзистора 3.

Таким образом, на коллекторах транзисторов 2 и 3 напряжения близки по уровню и по фазе. Поэтому в случае близости параметров транзисторов 2 и 3 τ_к≈r_бC_к, напряжения обратной связи на базах транзисторов примерно равны.

Формула изобретения

УСИЛИТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ, содержащий последовательно соединенные по постоянному току входной транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, и первый транзистор, включенный по схеме с общей базой, а также регулирующий транзистор, эмиттер которого подключен к точке соединения коллектора входного транзистора с эмиттером первого транзистора, а базы первого и регулирующего транзисторов являются входами опорного и управляющего сигналов соответственно, отличающийся тем, что в него введены выходной транзистор, включенный по схеме с общей базой, включенный последовательно по постоянному току с первым транзистором, источник тока, подключенный к эмиттеру выходного транзистора, и повторитель напряжения, включенный между эмиттером выходного и коллектором регулирующего транзисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3