Дифференциальный усилитель

 

Устройство относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения. Технический результат заключается в повышении входного сопротивления. Устройство содержит первый входной транзистор 1, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго входного составного транзистора 2 противоположного типа проводимости, и цепь нагрузки, состоящую из двух последовательно соединенных первого и второго двухполюсников 3-4. Коллектор второго составного транзистора 2 связан с общим узлом первого и второго двухполюсников 3-4. Для достижения указанного технического результата вводится вспомогательный транзистор 5, эмиттер которого соединен с первым двухполюсником 3, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора 1, а база соединена с базой второго входного составного транзистора 2. Входами устройства являются узлы 6 и 7, а выходами - узлы 8 и 9. 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (видеоусилителей, операционных усилителей, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).

Известны дифференциальные усилители (ДУ) на n-р-n и р-n-р транзисторах без источника тока в общей эмиттерной цепи [1, 2, 3], которые составляют основу многих аналоговых микросхем (μ А741, μ A748, μ А776). Ближайшим прототипом является усилитель, описанный в [3]. Его упрощенная схема приведена на фиг.1. Он содержит первый входной транзистор, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго входного составного транзистора противоположного типа проводимости, и цепь нагрузки, состоящую из двух последовательно соединенных первого и второго двухполюсников.

Однако известные усилители характеризуются невысокими значениями входного сопротивления. Традиционные методы повышения входного сопротивления (составные транзисторы Дарлингтона) при их применении в ДУ-прототипе ухудшает частотные свойства ДУ, требуют дополнительных элементных затрат, снижают допустимый диапазон изменения входных сигналов, что особенно существенно в схемах с низковольтным питанием.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении входного сопротивления за счет введения новых элементов и связей между ними, которые обеспечивают практически идеальную стабилизацию эмиттерного тока первого входного транзистора в широком диапазоне изменения входного сигнала и, как следствие, незначительную зависимость входного тока усилителя от входного напряжения. В конечном итоге это повышает входное сопротивление.

Заявляемое устройство (фиг.2) содержит первый входной транзистор 1, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго входного составного транзистора 2 противоположного типа проводимости, и цепь нагрузки, состоящую из первого 3 и второго 4 двухполюсников, имеющих общий узел. Коллектор транзистора 2 связан с общим узлом первого 3 и второго 4 двухполюсников. Для достижения поставленной цели в схему вводится вспомогательный транзистор 5, эмиттер которого соединен с первым двухполюсником 3, коллектор подключен к эмиттеру первого входного транзистора, а база связана с базой второго входного составного транзистора 2. Входами усилителя являются узлы 6 и 7, а выходами - узлы 8 или 9.

На фиг.3 показаны направления токов и напряжений в заявляемом устройстве (фиг.2) при положительном входном сигнале на базе транзистора 1 относительно базы транзистора 2.

На фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг.2 в среде Pspise 8.0, которые показывают, что в заявляемом ДУ входное сопротивление увеличивается в 10 раз по сравнению с прототипом.

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2, фиг.3). При увеличении (относительно статического уровня) входного напряжения u_вх на базе транзистора 1 увеличивается ток эмиттера транзистора 2:

где R_2.1, r_э2.1 - сопротивления двухполюсника 2.1 и эмиттерного перехода транзистора 2.2, образующих составной транзистор 2.

Приращение i_э2 с коэффициентом передачи по току эмиттера α _2.2 передается в коллекторную цепь транзистора 2.2, а затем в цепь эмиттера и коллектора транзистора 5:

В результате суммарное приращение тока эмиттера транзистора 1 i_э.1, равное разности i_э2 и i_к5, будет близко к нулю:

Действительно, из (4) следует, что при α ₅≈ 1, α _2.2≈ 1 в заявляемой схеме ток эмиттера входного транзистора i_э1 практически не изменяется при изменении входного напряжения u_вх и, следовательно, входное сопротивление усилителя фиг.2 увеличивается (фиг.3):

где

Таким образом, по сравнению с прототипом, в заявляемом устройстве входное сопротивление увеличивается в d раз:

Причем этот эффект достигается без введения дополнительных р-n переходов в контур “узел 6 - узел 9 - узел 7”, т.е. без снижения допустимого диапазона входных сигналов (при заданном фиксированном напряжении питания). Последнее обстоятельство играет существенную роль при построении усилителей класса “Rail-to-Rail” [4], имеющих диапазон изменения сигналов, близкий к напряжению питания.

Источники информации

1. Операционные усилители и компараторы. М.: Издательский дом “Додека”, 2001. – 560 с.

2. Аналоговые интегральные схемы. М. Херпи. Перевод с английского С.Я. Борисова и В.В. Иванова. М.: Радио и связь, 1983. – 89 с., рис.4.33.

3. Патент РФ №2183380, H 03 F 3/34.

4. Linear integrated circuit. D.A.T.A BOOK, Edition 28.

Формула изобретения

Дифференциальный усилитель, содержащий первый входной транзистор, эмиттер которого подключен к эмиттеру второго входного составного транзистора противоположного типа проводимости, и цепь нагрузки, состоящую из двух последовательно соединенных первого и второго двухполюсников, отличающийся тем, что коллектор второго выходного транзистора связан с общей точкой первого и второго двухполюсников, причем первый двухполюсник соединен с эмиттером вспомогательного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого входного транзистора, а база соединена с базой второго входного составного транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4