Результат интеллектуальной деятельности: ШИРОКОПОЛОСНЫЙ НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ УРОВНЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И ШУМОВ

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.

На фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения U_ош 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_вх.

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.

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

На фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S₁₁=Gain корректирующего каскада 11S₁₁=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.

На фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 11S₁₁=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.

На фиг.18 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=0 и при входном напряжении u_вх=U₃(in)=3В с частотой F(in)=10кГц. Фактически распределение гармоник фиг.18 соответствует свойствам ШНУ-прототипа.

На фиг.19 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=5 См и входном напряжении u_вх=U₃(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].

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_ош с частотой третьей гармоники 30 кГц.

Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 связан, во-первых, с выделением в узле 10 сигнала ошибки u₁₀~u_ош, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих u_ош на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой 30 кГц):

При этом следует заметить, что в узле 10 отсутствует входной усиливаемый сигнал u_вх с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 10 двух его противофазных составляющих u_c=-u_вх и u_вых.

Выделенная таким образом ошибка u₁₀≈u_ош/2 вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 11 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение u_ош, генерируемое этим выходным каскадом.

Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 11 (S₁₁=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений u_ош 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_вых=1 мВ.

При введении цепи коррекции 11, имеющей крутизну S₁₁=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_ош достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S₁₁ 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.

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.