CZ308051B6 - Low frequency signals amplifier - Google Patents

Low frequency signals amplifier Download PDF

Info

Publication number
CZ308051B6
CZ308051B6 CZ2018-600A CZ2018600A CZ308051B6 CZ 308051 B6 CZ308051 B6 CZ 308051B6 CZ 2018600 A CZ2018600 A CZ 2018600A CZ 308051 B6 CZ308051 B6 CZ 308051B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
metal oxide
oxide resistor
bipolar transistor
resistor
transistors
Prior art date
Application number
CZ2018-600A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2018600A3 (en
Inventor
Martin Pospíšilík
Original Assignee
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně filed Critical Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
Priority to CZ2018-600A priority Critical patent/CZ2018600A3/en
Publication of CZ308051B6 publication Critical patent/CZ308051B6/en
Publication of CZ2018600A3 publication Critical patent/CZ2018600A3/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
    • H03F3/183Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/4508Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using bipolar transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45174Mirror types
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45018Indexing scheme relating to differential amplifiers the differential amplifier amplifying transistors have added cross couplings
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45026One or more current sources are added to the amplifying transistors in the differential amplifier
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45116Feedback coupled to the input of the differential amplifier
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45138Two or more differential amplifiers in IC-block form are combined, e.g. measuring amplifiers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

The low-frequency signals amplifier consists of an input differential stage, a voltage amplifier connected to it and a connected output stage. The voltage amplifier is connected as a crank cascade composed of transistors (T9) and (T11), supplied by a current source as a current mirror composed of two identical transistors (T10) and (T12). The supply current is defined by the resistance values (R21 to R26). Linking the reference point between resistors (R22) and (R23) simultaneously introduces local negative feedback to linearize the cascade response to the excitation signal.

Description

Zesilovač nízkofrekvenčních signálůAmplifier of low frequency signals

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká zesilovače nízkofrekvenčních signálů s napěťovým zesilovačem, který je zapojen jako zalomená kaskoda.The invention relates to an amplifier of low-frequency signals with a voltage amplifier which is connected as a folded cascode.

Dosavadní stav technikyCurrent state of the art

Vzhledem k tomu, že technika tohoto typu je vyvíjena více než jedno století, existuje obrovské množství řešení nízkofrekvenčních zesilovačů. Existují různé směry vývoje. Některé se opírají o integrované řešení v podobě operačního zesilovače sestaveného na čipu, jiné přístupy jsou založeny na koncepci operačního zesilovače sestaveného z diskrétních součástek. Zde má konstruktér možnost ovlivnit podstatně větší množství parametrů, a to nejen volbou vhodné topologie obvodu, ale zároveň i výběrem použitých součástek, včetně polovodičů.Since the technology of this type has been developed for more than a century, there are a huge number of solutions for low-frequency amplifiers. There are different directions of development. Some rely on an integrated solution in the form of an operational amplifier assembled on a chip, other approaches are based on the concept of an operational amplifier assembled from discrete components. Here, the designer has the opportunity to influence a significantly larger number of parameters, not only by choosing a suitable circuit topology, but also by choosing the components used, including semiconductors.

V současné době se při konstrukci zesilovačů nízkofrekvenčních signálů používá víceméně ustálená topologie, jejíž příklady jsou uvedeny na schématech obr. 1 a) až c). Jsou zde uvedeny typické příklady řešení vazby mezi diferenčním stupněm (tranzistory Tri až Tr3) a navazujícím napěťovým zesilovačem (tranzistor T4). Varianta a) představuje diferenční stupeň se symetrickou zátěží kolektorů tranzistorů Tr2 a Tr3, varianta b) představuje řešení s vynechaným kolektorovým odporem tranzistoru Tr3 a konečně varianta c) znázorňuje řešení s proudovým zrcadlem, které přispívá k symetrizaci klidových proudů tranzistory diferenčního stupně. Ve všech případech je ovšem, na rozdíl od navrhovaného řešení, báze tranzistoru Tr4 spojena s kolektorem tranzistoru Tr2.At present, a more or less stable topology is used in the design of low-frequency signal amplifiers, examples of which are shown in the diagrams in Fig. 1 a) to c). Typical examples of coupling solutions between the differential stage (transistors Tri to Tr3) and the following voltage amplifier (transistor T4) are presented here. Variant a) represents a differential stage with a symmetrical load on the collectors of transistors Tr2 and Tr3, variant b) represents a solution with omitted collector resistance of transistor Tr3, and finally variant c) represents a solution with a current mirror that contributes to the symmetrization of quiescent currents of the differential stage transistors. However, in all cases, unlike the proposed solution, the base of transistor Tr4 is connected to the collector of transistor Tr2.

Na obr. 2 a) až f) je uvedeno 6 schémat příkladů řešení napěťového zesilovače, které se při konstrukcích nízkofrekvenčních zesilovačů běžně používají:Fig. 2 a) to f) shows 6 diagrams of examples of voltage amplifier solutions, which are commonly used in the construction of low-frequency amplifiers:

a) Zesilovač je tvořen jedním tranzistorem napájeným ze zdroje proudu. Dominantní pól přenosové funkce je definován kapacitou Cdom. Na výstup navazuje koncový stupeň zesilovače. Jedná se o nejjednodušší řešení této části zesilovače nízkofrekvenčních signálů.a) The amplifier consists of one transistor powered by a current source. The dominant pole of the transfer function is defined by the capacity Cdom. The output is followed by the final stage of the amplifier. This is the simplest solution of this part of the amplifier of low-frequency signals.

b) Zde je oproti variantě a) nahrazen zdroj proudu prostým odporem. Za účelem dosažení většího napěťového zesílení je zavedena kladná zpětná vazba z výstupu zesilovače (tzv. bootstrap).b) Here, compared to variant a), the current source is replaced by a simple resistor. In order to achieve greater voltage amplification, positive feedback from the amplifier output (so-called bootstrap) is introduced.

c) Řešení prezentované jako varianta a) lze rozšířit doplněním emitorového sledovače (Emitter follower). Takto vzniklé Darlingtonovo zapojení přispívá ke zvýšení zesílení.c) The solution presented as variant a) can be extended by adding an emitter follower. The resulting Darlington connection contributes to an increase in gain.

d) Zde je použita kaskoda sestavená ze dvou bipolámích tranzistorů NPN. Toto řešení zvyšuje dále efektivní kolektorový odpor zesilujícího tranzistoru, což rovněž přispívá ke zvýšení zisku zesilovače. Jedná se ovšem o jiné řešení kaskody, než je předmětem přihlášky vynálezu.d) A cascode made up of two NPN bipolar transistors is used here. This solution further increases the effective collector resistance of the amplifying transistor, which also contributes to increasing the gain of the amplifier. However, this is a different cascode solution than the one that is the subject of the invention application.

e) Tato varianta využívá napěťový sledovač doplněný k zapojení a) za účelem impedančního přizpůsobení výstupu zesilovače k následujícímu stupni.e) This variant uses a voltage follower added to connection a) in order to impedance match the output of the amplifier to the next stage.

f) Alternativa k případu e) redukující počet proudových zdrojů v obvodu.f) An alternative to case e) reducing the number of current sources in the circuit.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Cílem konstrukce (zapojení) zesilovače nízkofrekvenčních signálů podle vynálezu bylo vytvořit takovou topologii, která by při nízkých výrobních nákladech umožnila realizovat dostatečněThe aim of the construction (wiring) of the amplifier of low-frequency signals according to the invention was to create such a topology that would enable the implementation of sufficiently

- 1 CZ 308051 B6 kvalitní nízkofrekvenční zesilovač, schopný konkurovat drahým operačním zesilovačům postaveným na bázi integrovaného obvodu. Cílem řešení byla dále optimalizace zesilovače pro zpracování audio signálů s maximální mírou využití lokálních zpětných vazeb, jejichž velikost konstruktér, který použije hotový monolitický operační zesilovač, nemůže ovlivnit.- 1 CZ 308051 B6 high-quality low-frequency amplifier, capable of competing with expensive operational amplifiers built on the basis of an integrated circuit. The aim of the solution was also to optimize the amplifier for processing audio signals with maximum use of local feedback, the size of which cannot be influenced by the designer who uses the finished monolithic operational amplifier.

Zesilovač nízkofrekvenčních signálů podle vynálezu je tvořen vstupním diferenčním stupněm, k němu připojeným napěťovým zesilovačem a na něj navazujícím koncovým stupněm.The amplifier of low-frequency signals according to the invention consists of an input differential stage, a voltage amplifier connected to it and an output stage connected to it.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že napěťový zesilovač (viz obr. 3) je zapojen jako zalomená kaskoda sestavená z tranzistorů T9 a Til, která je napájena zdrojem proudu realizovaným jako proudové zrcadlo sestavené ze dvou shodných tranzistorů TIP a T12, Velikost dodávaného proudu je definována hodnotami odporů R21 až R26. Vyvázání referenčního bodu mezi rezistory R22 a R23 zavádí zároveň lokální zápornou zpětnou vazbu k linearizaci odezvy kaskody na budicí signál.The essence of the invention is that the voltage amplifier (see Fig. 3) is connected as a twisted cascode made of transistors T9 and Til, which is fed by a current source realized as a current mirror made of two identical transistors TIP and T12. The magnitude of the supplied current is defined values of resistors R21 to R26. Binding the reference point between resistors R22 and R23 also introduces local negative feedback to linearize the cascode response to the drive signal.

Základem vstupního diferenčního stupně (viz obr. 3) mohou být tranzistory T2 a T8. Vstup zesilovače je na bázi tranzistoru T2, zatímco do báze tranzistoru T8 je zavedena globální záporná zpětná vazba určující celkové zesílení obvodu a stabilizující klidová napětí v obvodu. Vstupní diferenční stupeň pracuje s klidovým proudem definovaným pomocí Widlarova proudového zrcadla sestávajícího z tranzistorů TI, T5, T6. Velikost klidového proudu ve vstupním diferenčním stupni je s výhodou definována poměrem odporů rezistoru R9 a součtu odporů rezistorů RI a R4. K rovnoměrnému rozložení klidových proudů tranzistory T2 a T8 mohou být jejich kolektory zatíženy proudovým zrcadlem sestávajícím z tranzistorů T4 a T7, které musí mít shodnou velikost činitele β.The basis of the input differential stage (see Fig. 3) can be transistors T2 and T8. The input of the amplifier is at the base of transistor T2, while global negative feedback is introduced into the base of transistor T8, determining the overall gain of the circuit and stabilizing the quiescent voltages in the circuit. The input differential stage operates with a quiescent current defined by a Widlar current mirror consisting of transistors TI, T5, T6. The value of the quiescent current in the input differential stage is preferably defined by the ratio of the resistances of the resistor R9 and the sum of the resistances of the resistors RI and R4. To evenly distribute the quiescent currents of transistors T2 and T8, their collectors can be loaded with a current mirror consisting of transistors T4 and T7, which must have the same magnitude of the factor β.

Koncovým stupněm (viz obr. 3) sestávajícím z tranzistorů T13 až T15 může být emitorový sledovač buzený tranzistorem T14, při čemž tranzistory T13 a T15 pracují jako konstantní proudová zátěž. Kondenzátor C14 s výhodou zavádí pro střídavé signály vazbu mezi kolektorem tranzistoru T14 a bází tranzistoru T15 k částečné modulaci klidového proudu koncového stupně v rytmu budicího napětí.The final stage (see Fig. 3) consisting of transistors T13 to T15 can be an emitter follower driven by transistor T14, with transistors T13 and T15 operating as a constant current load. Capacitor C14 advantageously establishes a coupling between the collector of transistor T14 and the base of transistor T15 for alternating signals to partially modulate the quiescent current of the output stage in rhythm with the excitation voltage.

Obvod lze realizovat s nízkými náklady, neboť díky vnitřní linearizaci lokální zpětnou vazbou je plně funkční i použití méně kvalitních součástek.The circuit can be implemented at low cost, because thanks to the internal linearization by local feedback, even the use of lower quality components is fully functional.

Samozřejmě by bylo možné integrovat tuto strukturu i na čipu, nemusí být nutně sestavena pouze z diskrétních součástek.Of course, it would be possible to integrate this structure on the chip as well, it does not necessarily have to be assembled only from discrete components.

Objasnění výkresůClarification of drawings

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží přiložené výkresy, kde představuje obr. 1 - příkladná schémata řešení navázání napěťového zesilovače na diferenční stupeň, obr. 2 - schémata typických současných řešení napěťového zesilovače ve strukturách operačních zesilovačů, obr. 3 - schéma základního uspořádání zesilovače nízkofrekvenčních signálů podle vynálezu, obr. 4 - schéma příkladu aplikace - dva nízkofrekvenční zesilovače podle vynálezu tvoří blok předzesilovače pro magnetodynamickou přenosku.For a more detailed explanation of the essence of the invention, the attached drawings are used, where Fig. 1 - exemplary diagrams of a solution for connecting a voltage amplifier to a differential stage, Fig. 2 - diagrams of typical current solutions of a voltage amplifier in the structures of operational amplifiers, Fig. 3 - a diagram of the basic layout of a low-frequency signal amplifier according to the invention, Fig. 4 - diagram of an application example - two low-frequency amplifiers according to the invention form a preamplifier block for a magnetodynamic portable.

-2CZ 308051 B6-2CZ 308051 B6

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention

Příklad 1Example 1

Schéma příkladného zapojení zesilovače nízkofrekvenčních signálů podle vynálezu je vyobrazeno na obr. 3. Jedná se o základní stavební blok umožňující realizovat zesílení analogového nízkofrekvenčního signálu v rozmezí do 40 dB (s ohledem na zisk zesilovače s rozpojenou zpětnou vazbou). Vstupní odpor tohoto zesilovače lze měnit volbou hodnoty rezistoru R19 v rozsahu řádově desítek kQ.An exemplary circuit diagram of the amplifier of low-frequency signals according to the invention is shown in Fig. 3. This is a basic building block enabling the amplification of an analog low-frequency signal in the range of up to 40 dB (taking into account the gain of the amplifier with disconnected feedback). The input resistance of this amplifier can be changed by choosing the value of resistor R19 in the range of tens of kQ.

Vstupní diferenční stupeň pracuje s klidovým proudem přibližně 500 μΑ. Tento proud je definovaný pomocí Widlarova proudového zrcadla sestávajícího z tranzistorů TI, T5 a T6. Při daném napájecím napětí (typicky 24 V) je velikost klidového proudu definována poměrem odporů rezistoru R9 a součtu odporů rezistorů RI a R4. Vhodnou kombinací hodnot uvedených rezistorů lze dosáhnout toho, že velikost klidového proudu není závislá na teplotě tranzistorů. Poměr odporů rezistorů RI a R4 rovněž definuje předpětí na vstupu zesilovače (tranzistor T2), které by mělo odpovídat polovině napájecího napětí (typicky 12 V). Rezistor R19 zavádí kladnou zpětnou vazbu z výstupu na vstup a zvyšuje tak vstupní impedanci obvodu. Základem diferenčního stupně jsou tranzistory T2 a T8. Vstup zesilovače je na bázi tranzistoru T2, zatím co do báze tranzistoru T8 je zavedena globální záporná zpětná vazba, která určuje celkové zesílení obvodu a stabilizuje klidová napětí v obvodu. Aby byly klidové proudy tranzistory T2 a T8 rovnoměrně rozloženy, jsou jejich kolektory zatíženy proudovým zrcadlem sestávajícím z tranzistorů T4 a T7, které musí mít shodnou velikost činitele β. Linearizace diferenčního stupně je realizována lokální zpětnou vazbou sestavenou z rezistorů R8 a R10.The input differential stage operates with a quiescent current of approximately 500 μΑ. This current is defined by a Widlar current mirror consisting of transistors TI, T5 and T6. At a given supply voltage (typically 24 V), the size of the quiescent current is defined by the ratio of the resistances of the resistor R9 and the sum of the resistances of the resistors RI and R4. By a suitable combination of the values of the mentioned resistors, it can be achieved that the amount of quiescent current does not depend on the temperature of the transistors. The ratio of resistances of resistors RI and R4 also defines the bias voltage at the input of the amplifier (transistor T2), which should correspond to half of the supply voltage (typically 12 V). Resistor R19 introduces positive feedback from the output to the input, increasing the input impedance of the circuit. The basis of the differential stage are transistors T2 and T8. The input of the amplifier is at the base of transistor T2, while global negative feedback is introduced into the base of transistor T8, which determines the overall gain of the circuit and stabilizes the quiescent voltages in the circuit. In order for the quiescent currents of transistors T2 and T8 to be evenly distributed, their collectors are loaded with a current mirror consisting of transistors T4 and T7, which must have the same magnitude of the factor β. The linearization of the differential stage is realized by local feedback made up of resistors R8 and R10.

Výstup diferenčního stupně je řešen jako proudové zrcadlo sestávající z tranzistorů T3 a T9. Prostřednictvím simulací bylo zjištěno, že toto řešení přispívá k eliminaci harmonického zkreslení zesilovače. Navíc je takto možné dosáhnout malé závislosti klidových proudů tranzistorů na teplotě. Velikost klidového proudu tekoucího tranzistorem T9 je definována rezistorem R20. Ten zároveň zavádí lokální zpětnou vazbu snižující celkový zisk napěťového zesilovacího stupně. Pro střídavé proudy je tato zpětná vazba snížena prostřednictvím členu R18 + C9 na požadovanou úroveň.The output of the differential stage is solved as a current mirror consisting of transistors T3 and T9. Through simulations, it was found that this solution contributes to the elimination of harmonic distortion of the amplifier. In addition, it is thus possible to achieve a small dependence of the quiescent currents of the transistors on the temperature. The amount of quiescent current flowing through transistor T9 is defined by resistor R20. At the same time, it introduces local feedback reducing the overall gain of the voltage amplification stage. For AC currents, this feedback is reduced to the required level by R18 + C9.

Napěťový zesilovač je řešen jako kaskoda sestavená z tranzistorů T9 a Til. Tato kaskoda je napájena zdrojem proudu o velikosti cca 1,2 mA, který je realizován jako proudové zrcadlo sestavené ze dvou shodných tranzistorů TIP a T12. Velikost dodávaného proudu je definována hodnotami odporů R21 až R26. Ty jsou voleny s ohledem na teplotní stabilitu klidového proudu a fakt, že vyvázání referenčního bodu mezi rezistory R22 a R23 zavádí zároveň lokální zápornou zpětnou vazbu, která linearizuje odezvu kaskody na budicí signál. Toto řešení umožňuje dosáhnout dobré kmitočtové i fázové charakteristiky v celém rozsahu akustických signálů. Typický mezní kmitočet zesilovače je 250 kHz při zesílení cca 33 dB.The voltage amplifier is designed as a cascode composed of transistors T9 and Til. This cascode is powered by a current source of approx. 1.2 mA, which is realized as a current mirror assembled from two identical transistors TIP and T12. The magnitude of the supplied current is defined by the values of resistors R21 to R26. These are chosen with regard to the temperature stability of the quiescent current and the fact that the binding of the reference point between resistors R22 and R23 introduces at the same time a local negative feedback that linearizes the response of the cascode to the excitation signal. This solution makes it possible to achieve good frequency and phase characteristics in the entire range of acoustic signals. A typical cut-off frequency of the amplifier is 250 kHz with a gain of approx. 33 dB.

Nyquistova podmínka stability zesilovače s globální zpětnou vazbou je splněna použitím kondenzátoru Cil, který definuje dominantní pól přenosové funkce zesilovače, a kondenzátoru C12, který snižuje účinek lokální zpětné vazby v kaskodě v oblasti nejvyšších frekvencí, což částečně kompenzuje posuv fáze způsobený kapacitami jednotlivých tranzistorů. Další zásah do výsledné přenosové funkce je realizován kompenzačním RC členem R14 + C6. Ten vhodně potlačuje vliv globální zpětné vazby při vysokých kmitočtech. Velikost globální zpětné vazby je dána rezistory R17 a R15, přičemž pro stejnosměrné napětí je vliv rezistoru R15 eliminován zařazením kondenzátoru C7. To přispívá ke stabilizaci pracovních napětí jednotlivých tranzistorů. Báze tranzistoru Til je upnuta na konstantní předpětí definované rezistory R27 a R28, které při napájecím napětí 24 V činí asi 20 V. Tato hodnota byla zvolena s ohledem na to, aby napěťový zesilovací stupeň dosahoval co největší hodnoty možného napěťového rozkmitu. Rozkmit výstupního napětí je při napájecím napětí 24 V větší než 16 V.The Nyquist stability condition of the amplifier with global feedback is satisfied by the use of capacitor C1, which defines the dominant pole of the amplifier's transfer function, and capacitor C12, which reduces the effect of local feedback in the cascode in the region of the highest frequencies, which partially compensates for the phase shift caused by the capacitances of the individual transistors. Another intervention in the resulting transfer function is realized by the compensating RC element R14 + C6. The latter appropriately suppresses the effect of global feedback at high frequencies. The amount of global feedback is given by resistors R17 and R15, while for direct voltage the effect of resistor R15 is eliminated by including capacitor C7. This contributes to the stabilization of the working voltages of individual transistors. The base of transistor Til is clamped to a constant bias voltage defined by resistors R27 and R28, which is about 20 V at a supply voltage of 24 V. This value was chosen with regard to the fact that the voltage amplification stage achieves the greatest possible value of voltage swing. The output voltage swing is greater than 16 V at a supply voltage of 24 V.

-3 CZ 308051 B6-3 CZ 308051 B6

Koncový stupeň sestávající z tranzistorů T13 až T15 je emitorový sledovač buzený tranzistorem T14, přičemž tranzistory T13 a T15 pracují jako konstantní proudová zátěž. Velikost klidového proudu spolu s velikostí amplitudy výstupního signálu udávají velikost zátěže, kterou zesilovač zvládne vybudit. Pro tranzistory v pouzdře TO92 lze volit klidový proud řádově v desítkách mA. Kondenzátor C14 zavádí pro střídavé signály vazbu mezi kolektorem tranzistoru T14 a bází tranzistoru T15, která umožňuje částečně modulovat klidový proud koncového stupně v rytmu budicího napětí. Toto řešení přispívá ke snížení harmonického zkreslení koncového stupně.The output stage consisting of transistors T13 to T15 is an emitter follower driven by transistor T14, with transistors T13 and T15 operating as constant current loads. The size of the quiescent current together with the size of the amplitude of the output signal indicate the size of the load that the amplifier can drive. For transistors in the TO92 case, the quiescent current can be selected in the order of tens of mA. The capacitor C14 establishes a coupling between the collector of the transistor T14 and the base of the transistor T15 for alternating signals, which makes it possible to partially modulate the quiescent current of the output stage in rhythm with the excitation voltage. This solution contributes to reducing the harmonic distortion of the output stage.

Kondenzátory C2, C3, C4, C5, C8, CIO, C13, C15 blokují napětí v příslušných uzlech a eliminují tak rušení pronikající do zesilovače po přívodu napájecího napětí.Capacitors C2, C3, C4, C5, C8, CIO, C13, C15 block the voltage in the respective nodes and thus eliminate interference penetrating the amplifier after the supply voltage is applied.

Výhodou tohoto zapojení zesilovače nízkofrekvenčních signálů je nízká cena realizace, kdy dobrých výsledků lze dosáhnout i s velmi levnými tranzistory. Jednotlivé bloky jsou linearizovány lokálními zpětnými vazbami, což umožňuje dosáhnout nízkého harmonického zkreslení a dobré odezvy na buzení signály impulzního charakteru a koncový stupeň sestavený z tranzistorů T13, T14 a T15 se od obvyklých struktur realizovaných na čipu liší tím, že pracuje s vysokým klidovým proudem (třída A), což eliminuje vznik přechodového zkreslení a v závislosti na zesílení nastaveném globální zpětnou vazbou je dosahována šířka pásma řádově ve stovkách kHz. Typicky dosahované hodnoty s tranzistory BC549 jsou šířka pásma 250 kHz při zesílení 33 dB.The advantage of this connection of the amplifier of low-frequency signals is the low cost of implementation, when good results can be achieved even with very cheap transistors. The individual blocks are linearized by local feedback, which makes it possible to achieve low harmonic distortion and a good response to excitation signals of an impulse character, and the final stage assembled from transistors T13, T14 and T15 differs from the usual structures implemented on the chip in that it works with a high quiescent current ( class A), which eliminates the occurrence of transient distortion and, depending on the gain set by the global feedback, a bandwidth of the order of hundreds of kHz is achieved. Typical values achieved with BC549 transistors are 250kHz bandwidth at 33dB gain.

Příklad 2Example 2

Zapojením dvou zesilovačů podle schématu vyobrazeného na obr. 3 a jejich doplněním o RIAA korekční člen byl sestaven předzesilovač pro magnetodynamickou přenosku. Vyobrazení celkového schématu zapojení předzesilovače pro magnetodynamickou přenosku s využitím dvou samostatných bloků zesilovače nízkofrekvenčních signálů podle vynálezu je znázorněno na obr. 4.By connecting two amplifiers according to the diagram shown in Fig. 3 and supplementing them with a RIAA correction element, a preamplifier for a magnetodynamic portable was assembled. An illustration of the overall wiring diagram of the preamplifier for a magnetodynamic portable using two separate blocks of the amplifier of low-frequency signals according to the invention is shown in Fig. 4.

Claims (22)

1. Zesilovač nízkofrekvenčních signálů, tvořený vstupním diferenčním stupněm, k němu připojeným napěťovým zesilovačem a na něj navazujícím koncovým stupněm, vyznačující se tím, že napěťový zesilovač je zapojen jako zalomená kaskoda sestavená z tranzistorů (T9) a (Til), která je napájena zdrojem proudu realizovaným jako proudové zrcadlo sestavené ze dvou shodných tranzistorů (T10) a (T12) s tím, že velikost dodávaného proudu je definována hodnotami odporů (R21 až R26) a že vyvázání referenčního bodu mezi rezistory (R22) a (R23) zavádí zároveň lokální zápornou zpětnou vazbu k linearizaci odezvy kaskody na budicí signál.1. An amplifier of low-frequency signals, consisting of an input differential stage, a voltage amplifier connected to it and an output stage connected to it, characterized by the fact that the voltage amplifier is connected as a twisted cascode made up of transistors (T9) and (Til), which is powered by a source current implemented as a current mirror made up of two identical transistors (T10) and (T12), with the fact that the magnitude of the supplied current is defined by the values of the resistors (R21 to R26) and that the binding of the reference point between the resistors (R22) and (R23) introduces at the same time a local negative feedback to linearize the cascode response to the drive signal. 3 výkresy3 drawings Seznam vztahových značekList of relationship tags Prvek na obr. 3 Elektrická součástka Hodnota součástky v základ. provedení podle obr. 3 PoznámkaElement in Fig. 3 Electrical component The value of the component in the base. implementation according to Fig. 3 Note Cl Elektrolytický kondenzátor 10 pF / 25 VCl Electrolytic capacitor 10pF / 25V C2 Keramický kondenzátor 33 nF/50 VC2 Ceramic capacitor 33nF/50V C3 Elektrolytický kondenzátor 47 pF / 16 VC3 Electrolytic capacitor 47pF / 16V C4 Elektrolytický kondenzátor 22 pF/50VC4 Electrolytic capacitor 22pF/50V -4CZ 308051 B6-4CZ 308051 B6 C5 Keramický kondenzátor 33 nF/50 VC5 Ceramic capacitor 33nF/50V C6 Keramický kondenzátor 1 nF/50 V 1)C6 Ceramic capacitor 1nF/50V 1) C7 Elektrolytický kondenzátor 470 pF / 16 V 2)C7 Electrolytic capacitor 470pF / 16V 2) C8 Elektrolytický kondenzátor 47 pF / 50 VC8 Electrolytic capacitor 47pF / 50V C9 Elektrolytický kondenzátor 470 pF / 10 V 3)C9 Electrolytic capacitor 470pF / 10V 3) CIO Keramický kondenzátor 33 nF/50 VCIO Ceramic capacitor 33nF/50V Cll Keramický kondenzátor 470 pF / 50 V 4)Cll Ceramic capacitor 470pF / 50V 4) C12 Keramický kondenzátor 1 nF/50 V 5)C12 Ceramic capacitor 1nF/50V 5) C13 Elektrolytický kondenzátor 10 pF / 25 V 6)C13 Electrolytic capacitor 10pF / 25V 6) C14 Elektrolytický kondenzátor 470 pF / 25 VC14 Electrolytic capacitor 470pF / 25V C15 Elektrolytický kondenzátor 100 pF / 25 VC15 Electrolytic capacitor 100pF / 25V RI Metaloxidový rezistor 0,5 W 10 kΩ 7)RI Metal oxide resistor 0.5 W 10 kΩ 7) R2 Metaloxidový rezistor 0,5 W 10 kΩR2 Metal oxide resistor 0.5 W 10 kΩ R3 Metaloxidový rezistor 0,5 W 10 kΩR3 Metal oxide resistor 0.5 W 10 kΩ R4 Metaloxidový rezistor 0,5 W 12 kΩR4 Metal oxide resistor 0.5 W 12 kΩ R5 Metaloxidový rezistor 0,5 W 3,3 kΩR5 Metal oxide resistor 0.5 W 3.3 kΩ R6 Metaloxidový rezistor 0,5 W 22 kΩ 8)R6 Metal oxide resistor 0.5 W 22 kΩ 8) R7 Metaloxidový rezistor 0,5 W 3,3 kΩ 8)R7 Metal oxide resistor 0.5 W 3.3 kΩ 8) R8 Metaloxidový rezistor 0,5 W 33 kΩ 8)R8 Metal oxide resistor 0.5 W 33 kΩ 8) R9 Metaloxidový rezistor 0,5 W 33 ΩR9 Metal oxide resistor 0.5 W 33 Ω RIO Metaloxidový rezistor 0,5 W 33 kΩ 8)RIO Metal oxide resistor 0.5 W 33 kΩ 8) Rll Metaloxidový rezistor 0,5 W 3,3 kΩRll Metal oxide resistor 0.5 W 3.3 kΩ R12 Metaloxidový rezistor 0,5 W 22 kΩ 8)R12 Metal oxide resistor 0.5 W 22 kΩ 8) R13 Metaloxidový rezistor 0,5 W 3,3 kΩ 8)R13 Metal oxide resistor 0.5 W 3.3 kΩ 8) R14 Metaloxidový rezistor 0,5 W 100 Ω 9)R14 Metal oxide resistor 0.5 W 100 Ω 9) R15 Metaloxidový rezistor 0,5 W 470 Ω 10)R15 Metal oxide resistor 0.5 W 470 Ω 10) R16 Metaloxidový rezistor 0,5 W 330 Ω 11)R16 Metal oxide resistor 0.5 W 330 Ω 11) R17 Metaloxidový rezistor 0,5 W 22 kΩR17 Metal oxide resistor 0.5 W 22 kΩ R18 Metaloxidový rezistor 0,5 W 220 Ω 12)R18 Metal oxide resistor 0.5 W 220 Ω 12) R19 Metaloxidový rezistor 0,5 W 220 kΩ 13)R19 Metal oxide resistor 0.5 W 220 kΩ 13) R20 Metaloxidový rezistor 0,5 W 1,5 kΩ 14)R20 Metal oxide resistor 0.5 W 1.5 kΩ 14) R21 Metaloxidový rezistor 0,5 W 470 ΩR21 Metal oxide resistor 0.5 W 470 Ω R22 Metaloxidový rezistor 0,5 W 10 kΩR22 Metal oxide resistor 0.5 W 10 kΩ R23 Metaloxidový rezistor 0,5 W 2,2 kΩR23 Metal oxide resistor 0.5 W 2.2 kΩ R24 Metaloxidový rezistor 0,5 W 47 ΩR24 Metal oxide resistor 0.5 W 47 Ω R25 Metaloxidový rezistor 0,5 W 2,2 kΩR25 Metal oxide resistor 0.5 W 2.2 kΩ R26 Metaloxidový rezistor 0,5 W 47 kΩ 15)R26 Metal oxide resistor 0.5 W 47 kΩ 15) R27 Metaloxidový rezistor 0,5 W 10 kΩR27 Metal oxide resistor 0.5 W 10 kΩ R28 Metaloxidový rezistor 0,5 W 47 kΩR28 Metal oxide resistor 0.5 W 47 kΩ R29 Metaloxidový rezistor 0,5 W 47 kΩ 16)R29 Metal oxide resistor 0.5 W 47 kΩ 16) R30 Metaloxidový rezistor 0,5 W 4,7 kΩR30 Metal oxide resistor 0.5 W 4.7 kΩ R31 Metaloxidový rezistor 0,5 W 10 ΩR31 Metal oxide resistor 0.5 W 10 Ω R32 Metaloxidový rezistor 0,5 W 1 kΩR32 Metal oxide resistor 0.5 W 1 kΩ R33 Metaloxidový rezistor 0,5 W 470 ΩR33 Metal oxide resistor 0.5 W 470 Ω R34 Metaloxidový rezistor 0,5 W 150 Ω 17)R34 Metal oxide resistor 0.5 W 150 Ω 17) T1 Bipolární tranzistor BC 560 18)T1 Bipolar transistor BC 560 18) T2 Bipolární tranzistor BC 560 19)T2 Bipolar transistor BC 560 19) T3 Bipolární tranzistor BC 550 20)T3 Bipolar transistor BC 550 20) T4 Bipolární tranzistor BC 550 21)T4 Bipolar transistor BC 550 21) T5 Bipolární tranzistor BC 560 18)T5 Bipolar transistor BC 560 18) -5 CZ 308051 B6-5 CZ 308051 B6 T6 Bipolární tranzistor BC 560 18)T6 Bipolar transistor BC 560 18) T7 Bipolární tranzistor BC 550 21)T7 Bipolar transistor BC 550 21) T8 Bipolární tranzistor BC 560 19)T8 Bipolar transistor BC 560 19) T9 Bipolární tranzistor BC 550 20)T9 Bipolar transistor BC 550 20) T10 Bipolární tranzistor BC 560 22)T10 Bipolar transistor BC 560 22) Til Bipolární tranzistor BC 557Till Bipolar transistor BC 557 T12 Bipolární tranzistor BC 557 22)T12 Bipolar transistor BC 557 22) T13 Bipolární tranzistor 2N3904T13 Bipolar transistor 2N3904 T14 Bipolární tranzistor 2N3904T14 Bipolar transistor 2N3904 T15 Bipolární tranzistor 2N3904T15 Bipolar transistor 2N3904 Dl Křemíková dioda 1N4148Length Silicon diode 1N4148 XI Vstupní konektor Dle potřebyXI Input connector According to need 1) Kompenzace zpoždění fáze při zavedení celkové zpětné vazby. Upravit dle nastavení zesílení tak, aby frekvenční charakteristika byla vyrovnaná.1) Phase delay compensation when total feedback is introduced. Adjust according to the gain setting so that the frequency characteristic is balanced. 2) Blokování globální zpětné vazby pro stejnosměrná napětí (stabilizace pracovního bodu). Ovlivňuje dolní mezní frekvenci.2) Global feedback blocking for DC voltages (stabilization of operating point). Affects the lower cutoff frequency. 3) Pro nf signály eliminuje zpětnou vazbu zavedenou rezistorem R20.3) For nf signals, it eliminates the feedback introduced by resistor R20. 4) Definuje dominantní pól přenosu napěťového zesilovacího stupně.4) Defines the dominant transmission pole of the voltage amplification stage. 5) Frekvenční kompenzace kaskody napěťového zesilovacího stupně.5) Frequency compensation of the cascode of the voltage amplification stage. 6) Blokování předpětí báze tranzistoru Til, měl by mít nízkou hodnotu ESR.6) Til transistor base bias blocking, it should have a low ESR value. 7) Spolu s R9 určuje teplotní kompenzaci Widlarova zdroje proudu a velikost klidového proudu diferenčním stupněm.7) Together with R9, it determines the temperature compensation of the Widlar current source and the size of the quiescent current by the differential stage. 8) Definují lokální zpětnou vazbu linearizující diferenční stupeň.8) They define the local feedback linearizing the differential stage. 9) Součást fázové kompenzace globální zpětné vazby.9) Global feedback phase compensation component. 10) Spolu s R17 určuje velikost globální zpětné vazby.10) Together with R17, it determines the amount of global feedback. 11) Pro snížení citlivosti na rušení v rozvodu napájení lze sériově připojit vhodnou tlumivku.11) To reduce sensitivity to interference in the power distribution, a suitable choke can be connected in series. 12) Definuje velikost lokání zpětné vazby kaskody napěťového zesilovacího stupně.12) Defines the size of the cascode feedback loop of the voltage amplifier stage. 13) Zavádí kladnou zpětnou vazbu pro zvýšení vstupní impedance. Umožňuje přizpůsobit vstupní impedanci zdroji signálu.13) Introduces positive feedback to increase the input impedance. Allows you to adjust the input impedance to the signal source. 14) Definuje základní nastavení klidového pracovního proudu kaskodou napěťového zesilovacího stupně.14) Defines the basic setting of the quiescent working current by the cascade of the voltage amplification stage. 15) Zavádí lokální zpětnou vazbu pro celý blok kaskody napěťového zesilovacího stupně (tranzistory T9, T10, Til, T12).15) Introduces local feedback for the entire cascode block of the voltage amplification stage (transistors T9, T10, Til, T12). 16) Definuje pomocný proud nutný pro správnou funkci zdroje proudu koncového stupně. Na nastavení tohoto proudu závisí teplotní stabilita velikosti klidového proudu koncovým stupněm.16) Defines the auxiliary current necessary for the correct operation of the current source of the final stage. The temperature stability of the quiescent current through the output stage depends on the setting of this current. 17) Definuje velikost klidového proudu koncového stupně.17) Defines the size of the quiescent current of the output stage. 18) Tranzistory TI, T5, T6 párovat na shodný zesilovací činitel β.18) Match transistors TI, T5, T6 to the same gain factor β. 19) Tranzistory T2, T8 párovat na shodný zesilovací činitel β.19) Pair transistors T2, T8 to the same amplification factor β. 20) Tranzistory T3, T9 párovat na shodný zesilovací činitel β.20) Pair transistors T3, T9 to the same gain factor β. 21) Tranzistory T4, T7 párovat na shodný zesilovací činitel β.21) Pair transistors T4, T7 to the same amplification factor β. 22) Tranzistory TI0, TI2 párovat na shodný zesilovací činitel β.22) Match transistors TI0, TI2 to the same amplification factor β.
CZ2018-600A 2018-11-02 2018-11-02 Low frequency signals amplifier CZ2018600A3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-600A CZ2018600A3 (en) 2018-11-02 2018-11-02 Low frequency signals amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-600A CZ2018600A3 (en) 2018-11-02 2018-11-02 Low frequency signals amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ308051B6 true CZ308051B6 (en) 2019-11-20
CZ2018600A3 CZ2018600A3 (en) 2019-11-20

Family

ID=68534690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2018-600A CZ2018600A3 (en) 2018-11-02 2018-11-02 Low frequency signals amplifier

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ2018600A3 (en)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2324217B (en) * 1997-04-07 2002-03-13 Bhc Consulting Pty Ltd Amplifier improvements

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2324217B (en) * 1997-04-07 2002-03-13 Bhc Consulting Pty Ltd Amplifier improvements

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Douglas Self: Distortion In Power Amplifiers, 20.02.2018, http://www.douglas-self.com/ampins/dipa/dipa.htm *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part I: the sources of distortion, EETimes, 02.01.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274876 *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part II: the input stage, EETimes, 09.01.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274878 *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part III: the voltage-amplifier stage, EETimes, 16.01.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274879 *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part IV: the power amplifier stages, EETimes, 23.01.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274880 *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part V: output stages, EETimes,30.01.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274881 *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part VII: frequency compensation and real designs, EETimes, 13.02.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274885 *
Douglas Self: Distortion in power amplifiers, Part VIII: Class A amplifiers, EETimes, 20.02.2008, https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274886 *
wikipedia - Widlar current source, 30.08.2017, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Widlar_current_source&oldid=798034170 *
wikipedia - Wilson current mirror, 04.07.2017, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Wilson_current_mirror&oldid=788875394 *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2018600A3 (en) 2019-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5933056A (en) Single pole current mode common-mode feedback circuit
US7298210B2 (en) Fast settling, low noise, low offset operational amplifier and method
CN106169914B (en) Device and method for compensated operational amplifier
US4586000A (en) Transformerless current balanced amplifier
JPH0786850A (en) Perfect differential operational amplifier and same phase reconstruction in differential operational amplifier
NL9000326A (en) AMPLIFIER CIRCUIT.
CN106817099A (en) For the amplifier of physiology potential signal detection
US4629973A (en) Current stabilizing circuit operable at low power supply voltages
Aloisi et al. Design methodology of Miller frequency compensation with current buffer/amplifier
US5485074A (en) High ratio current mirror with enhanced power supply rejection ratio
KR101800899B1 (en) Operational transconductance amplifier having two amplification stages
US20060044068A1 (en) Bipolar differential to single ended transfer circuit with gain boost
CZ308051B6 (en) Low frequency signals amplifier
JP3833530B2 (en) Differential amplifier
Tauro et al. Common mode stability in fully differential voltage feedback CMOS amplifiers
KR100458143B1 (en) Electronic circuits include complementary transformer conductors for filters and oscillators
JP5001822B2 (en) Bias circuit, differential amplifier
US6542034B2 (en) Operational amplifier with high gain and symmetrical output-current capability
US6448853B1 (en) Distortion improvement in amplifiers
CZ32389U1 (en) A low-frequency signal amplifier
TWI802143B (en) Differential amplifier arrangement and converter arrangement
CN113114143B (en) Full-differential summation amplifying circuit
Ab Rahim et al. A wide gain-bandwidth CMOS fully-differential folded cascode amplifier
JP3062999B2 (en) Amplifier circuit
KR102057473B1 (en) Circuit with voltage drop element