IT8922819A1

IT8922819A1 - Stadio di preamplificazione a basso rumore, in particolare per testine magnetiche.

Info

Publication number: IT8922819A1
Application number: IT1989A22819A
Authority: IT
Inventors: Bruno Murari; Domenico Rossi; Pierantonio Savino
Original assignee: Sgs Thomson Microelectronicss R L
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1991-06-22
Also published as: IT8922819A0; DE69032087D1; JP3176639B2; IT1236927B; EP0433896B1; EP0433896A2; EP0433896A3; US5150073A; JPH07176004A; DE69032087T2

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto uno stadio di preamplificazione a basso rumore, in particolare per testine magnetiche. Pi? in particolare, la presente invenzione riguarda uno stadio di preamplificazione avente ingresso compatibile a massa ed accoppiabile in continua alla testina magnetica .

Stadi di preamplificazione generici sono noti in diverse configurazioni. Tuttavia nessuna di esse soddisfa completamente e simultaneamente tutti i requisiti posti nell'applicazione specifica.

Ad esempio, nello sviluppo di uno stadio preamplificatore per l'applicazione indicata, si ? studiata una configurazione comprendente uno stadio di uscita realizzato tramite un transistore NPN pilotato da uno stadio a singolo transistore, anch'esso di tipo NPN. Una possibile soluzione circuitale basata su tale configurazione ? rappresentata in fig. 1. In questa con T2 si ? indicato il transistore di uscita, e con il transistore di ingresso. e R2 sono utilizzati per il dimensionamento del guadagno globale dello stadio, e VREF rappresenta la tensione di polarizzazione necessaria per polarizzare opportunamente l'uscita la causa della struttura a singolo transistore dello stadio di uscita); tale tensione ausiliaria viene applicata alla base del transistore T1 tramite il resistore R. Il condensatore C fornisce un cammino in alternata attraverso il quale applicare il segnale di ingresso e quindi presenta un morsetto collegato alla base di T1 e l'altro morsetto definente l'ingresso IN dello stadio.

Questo stadio soddisfa il requisito di basso rumore, in quanto il rumore globale dello stadio ? dovuto prevalentemente ad un solo transistore, cio? a , mentre il rumore dovuto al transistore T2 pu? essere trascurato in quanto viene riportato in ingresso diviso per l'amplificazione del primo stadio (includente ).

Tuttavia tale stadio non risulta compatibile a massa e non ? accoppiabile in continua. Inoltre tale stadio presenta anche ulteriori problemi legati al dimensionamento di R e C. Infatti R e C devono essere dimensionati in modo che il filtro passa-alto virtuale che essi formano lasci passare il segnale audio VIN applicato sull'ingresso, cio? in modo che la costante di tempo

di tale filtro sia sufficientemente grande. Tuttavia R non pu? presentare valore elevato allo scopo di non deteriorare il rumore di ingresso dello stadio. Per un dato valore della costante di tempo, ? quindi necessario scegliere un valore di capacit? C elevato, il che provoca un aumento considerevole del costo del sistema globale.

Per superare i problemi sopra indicati, si ? sviluppata una configurazione diversa, utilizzante uno stadio differenziale per lo stadio di ingresso. La relativa soluzione circuitale ? mostrata in fig. 2, nella quale con T2 si ? ancora indicato il transistore di ingresso, con R^, R2 sono stati indicati ancora i resistori responsabili del guadagno dello stadio e lo stadio differenziale ? formato da due transistori PNP uguali indicati con T3, . In particolare, i due emettitori accoppiati di T3, T4 sono collegati ad un generatore di corrente, indicato con 21, e i loro collettori sono collegati a massa tramite rispettivi resistori R3, R4 . La base di T4 ? collegata al punto intermedio fra R1 e R2 , mentre la base di T3 ? collegata ad un induttore L rappresentante la testina magnetica, il cui altro morsetto deve essere collegato ad una tensione di riferimento VREp.

In questa soluzione si ottiene quindi un accoppiamento in continua, tuttavia ? ancora necessario prevedere un generatore di tensione ausiliaria per l'ottenimento della tensione V^Ep necessaria per polarizzare l'uscita ad un valore superiore a quello definito dalla massa. Questo comporta i noti problemi legati alla maggiore complicazione strutturale, alla presenza di derive ecc. Inoltre, soprattutto, tale struttura presenta un deterioramento notevole delle prestazioni in rumore rispetto al circuito di fig. 1. Infatti, fissando T3 e T4 ad un livello di corrente uguale e ottimizzando la struttura per la resistenza sorgente, e detto en1 il generatore di rumore equivalente di ingresso di T3, supponendo per semplicit? che solo i transistori siano i il l b l d ll t di ?

Data questa situazione, il compito alla base del presente trovato consiste nel mettere a disposizione uno stadio di preamplificazione a basso rumore, in particolare per testine magnetiche che risolva gli svantaggi della tecnica nota.

Nell'ambito di tale compito, scopo particolare del presente trovato consiste nel realizzare uno stadio di preamplificazione che presenti ingresso compatibile a massa.

Uno scopo importante del presente trovato consiste nel mettere a disposizione uno stadio di preamplificazione del tipo indicato che sia accoppiabile in continua.

Non ultimo scopo del presente trovato consiste nel mettere a disposizione uno stadio di preamplificazione del tipo indicato che presenti struttura circuitale semplice, con un numero limitato di componenti, in particolare non richieda la presenza di un generatore di tensione di riferimento differente dalla tensione di alimentazione e dalla massa o di condensatori di elevato valore, e di conseguenza sia affidabile e possa essere fabbricato in modo economico ed anche integrato.

Il compito indicato, gli scopi accennati, ed altri ancora che meglio appariranno in seguito vengono raggiunti da uno stadio di preamplificazione a basso rumore, in particolare per testine magnetiche, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell?invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 mostra lo schema circuitale di un preamplificatore con stadio di ingresso a singolo transistore;

la figura 2 mostra lo schema circuitale di un preamplificatore con stadio di ingresso comprendente un differenziale, e

la figura 3 mostra lo schema circuitale dello stadio di preamplificazione secondo il trovato.

Nel seguito non verranno descritte le fig. 1 e 2, per le quali si rimanda alla descrizione precedente.

Con riferimento alla fig. 1, lo stadio di preamplificazione secondo il trovato comprende un transistore di uscita di tipo NPN, indicato ancora con T2, ed uno stadio di ingresso realizzato tramite un differenziale includente una coppia di transistori T5 e Tg di tipo PNP. Il transistore di uscita T2 ? collegato, come nelle soluzioni secondo le figg.

1 e 2, con il collettore alla tensione di alimentazione Vg e con l'emettitore alla massa, attraverso i resistori R1, R2 collegati mutualmente in serie, che determinano anche in questo caso il guadagno dello stadio. La base di T2 ? collegata ad un generatore di corrente I, collegato con l'altro morsetto all'alimentazione Vs . Lo stesso morsetto del generatore di corrente I collegato alla base di T2 ? anche collegato al collettore di un transistore T7, di tipo NPN, avente l'emettitore collegato a massa tramite il resistore Rg e la base collegata all?uscita di un amplificatore operazionale 10. L'ingresso invertente dell'amplificatore 10 ? collegato all'emettitore di T7 {e quindi al morsetto di Rg non collegato a massa), mentre il suo ingresso non invertente ? collegato al collettore di Tg, collegato anche ad un morsetto di un resistore Rg. Il collettore di Tg ? invece collegato direttamente a massa. Gli emettitori accoppiati di ?5, T6 sono collegati ad un generatore di corrente di valore opportuno, nella forma di reallizzazione specifica erogante la corrente 41, posto fra il differenziale Tg, T6 e l'alimentazione Vs. La base di Tg ? collegata al punto intermedio fra R1 e R2, per polarizzare l'uscita, mentre la base di Tg ? collegata ad un morsetto della testina, rappresentata schematicamente dall?induttore L, mentre l'altro morsetto della testina ? collegato direttamente a massa.

Secondo l'invenzione i transistori Tg, Tg sono realizzati di differente area {e precisamente Tg presenta un'area di emettitore maggiore di Tg di almeno tre volte, ad es.

pari a dieci volte), ma per il resto sono transistori identici, in modo che la corrente di polarizzazione passante attraverso di essi sia differente. Inoltre i resistori Rg, Rg sono fra loro uguali.

Il funzionamento del circuito di fig. 3 ? il seguente: supponendo l'amplificatore 10 ideale, i suoi ingressi sono allo stesso potenziale, cio? V<+ >= v<- >, per cui la caduta su R^ ? uguale alla caduta su Rg. Dato che questi due resistori sono uguali, la corrente fluente per Rg (e quindi la corrente di collettore di Tg) ? uguale alla corrente I impostata dal generatore I e passante per Rg. Di conseguenza Tg viene attraversato da una corrente pari a 31, cio? la differenza tra la corrente erogata dal generatore 41 e la corrente tirata da Tg. Dato che, a parte le aree di emettitore, Tg e Tg sono uguali, lo stadio presenta una tensione di offset intrinseca pari a

rispettivamente .

Tale offset, moltiplicato per (R-1 R2)/RI che rappresenta il guadagno dello stadio, fornisce la polarizzazione richiesta dell'uscita diversa da zero senza utilizzare tensioni ausiliarie.

Di conseguenza la testina L pu? essere accoppiata in continua direttamente alla base di T5 con un suo morsetto, e direttamente alla massa con l'altro morsetto.

Il circuito secondo il trovato presenta rumore equivalente inferiore al circuito mostrato in fig. 2. Infatti, come ? noto, la tensione equivalente di rumore di un transistore comandato in tensione ? inversamente proporzionale alla corrente di polarizzazione. Perci? polarizzando Tg con una corrente maggiore (e precisamente tre volte pi? grande) della corrente di polarizzazione di T5, il suo contributo alla tensione di rumore equivalente ? inferiore a quello di T5. In particolare, chiamando ancora en1 il generatore di rumore equivalente in ingresso a T5, con il circuito secondo l'invenzione ? possibile ottenere un rumore di ingresso complessivo equivalente significativamente minore di 1.4 en1.

Come si nota dalla precedente descrizione, il trovato raggiunge pienamente gli scopi proposti. Infatti ? stato realizzato uno stadio che, come sopra spiegato, grazie all'utilizzazione di un differenziale i cui transistori presentano correnti di polarizzazioni diverse, presenta un livello di rumore non eccessivo, e comunque adeguato all'utilizzazione. L'impiego di due transistori con differenti correnti di polarizzazione fa si che il differenziale presenti un offset intrinseco che pu? essere utilizzato per la polarizzazione dell'uscita, senza bisogno di componenti appositi , per cui lo stadio secondo il trovato risulta pi? semplice e pi? affidabile. L'assenza di tensioni di riferimento ha inoltre come conseguenza il fatto che la testina L possa essere collegata direttamente fra l'ingresso dello stadio IN e la massa. Il circuito risulta poi completamente compatibile a massa, in quanto ? in grado di funzionare perfettamente anche quando l'ingresso IN si porta alla tensione di massa o anche leggermente sotto (purch? entro l'intervallo di funzionamento lineare del transistore Tg). Infine, non sono richiesti componenti che richiedono dimensionamenti tali da comportare problemi di realizzazione effettiva e pu? essere facilmente integrato.

Il trovato cos? concepito ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. In particolare si sottolinea il fatto che il valore del generatore di polarizzazione del differenziale e il rapporto d'area fra T? e Tg dipendono dalla polarizzazione desiderata dell'uscita e possono quindi variare a seconda delle esigenze. Analogamente, la polarizzazione del transistore di ingresso Tg al valore desiderato pu? essere ottenuta in differenti modi e il rapporto di moltiplicazione fra R5 e Rg, qui pari a uno, pu? essere scelto anche diverso.

Inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri tecnicamente equivalenti.

RIVENDICAZIONI

1. Stadio di preamplificazione a basso rumore, in particolare per testine magnetiche, comprendente uno stadio di ingresso includente un circuito differenziale formato da un primo e un secondo transistore (T6, T6) ad emettitori accoppiati ed uno stadio di uscita a singolo transistore (T2) , caratterizzato dal fatto che detti primo e secondo transistore (Tg, Tg) del circuito differenziale presentano correnti di polarizzazione differenti, generando una tensione di offset intrinseca fra i rispettivi terminali di base, detto primo transistore (Tg) avendo il terminale di base definente un ingresso (IN) dello stadio e detto secondo transistore (Tg) avendo il terminale di base collegato al punto intermedio di una coppia di resistori (R1, R2) collegati reciprocamente in serie fra detto singolo transistore (T2) dello stadio di uscita ed una linea a potenziale di riferimento, in modo atto a polarizzare detto stadio di uscita con detta tensione di offset.

2. Stadio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la corrente di polarizzazione di detto secondo transistore (Tg) ? maggiore della corrente di polarizzazione di detto primo transistore (Tg).

3. Stadio secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che detto secondo transistore (Tg) presenta area di emettitore multipla dell'area di emettitore di detto

Claims

primo transistore (Tg). 4. Stadio secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto stadio di ingresso presenta un primo generatore di corrente (41) collegato a detti emettitori accoppiati di detti primo e secondo transistore (Tg, Tg) dello stadio di ingresso, detto primo generatore di corrente (41) generando una corrente multipla della corrente di polarizzazione (I) di detto primo transistore (Tg), detto stadio di ingresso comprendendo inoltre un ramo (I, ?? , R6, 10) di impostazione della corrente di polarizzazione di detto primo transistore includente un secondo generatore di corrente (I) atto a generare una corrente di valore prefissato, e mezzi a generatore di corrente (Rg) collegati al terminale di collettore di detto primo transistore (Tg), detti mezzi a generatore di corrente (Rg) essendo controllati da detto ramo di impostazione in modo atto a generare detta corrente di polarizzazione di detto primo transistore (?5), detto secondo transistore (Tg) essendo polarizzato ad una corrente (31) di valore pari alla differenza fra la corrente generata da detto primo generatore di corrente (41) e la corrente di polarizzazione (I) di detto primo transistore. 5. Stadio secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a generatore di corrente controllato comprendono un resistore di polarizzazione {R5) collegato fra 11 terminale di collettore di detto primo transistore (Tg) e detta linea a potenziale di riferimento e dal fatto di comprendere un amplificatore operazionale (10) avente un primo ingresso collegato al punto intermedio fra detto resistore di polarizzazione (R^) e detto primo transistore (T5) ed un secondo ingresso collegato ad un terminale di un ulteriore resistore (R&) collegato fra detto secondo generatore di corrente (I) e detta linea a potenziale di riferimento, l'uscita di detto amplificatore operazionale 110) essendo collegata al terminale di base di un ulteriore transistore (T7) collegato, con i suoi terminali di collettore e di emettitore, fra detto secondo generatore di corrente (I) e detto ulteriore resistore (R5). 6. Stadio secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto ingresso (IN) dello stadio ? collegabile ad un morsetto di un elemento induttivo (L) costituente in particolare detta testina magnetica e avente l'altro morsetto direttamente collegato a detta linea a potenziale di riferimento. 7. Stadio secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti primo e secondo transistore (T5, Tg) dello stadio differenziale sono di tipo PNP, detto singolo transistore (T2) dello stadio di uscita e detto ulteriore transistore (T7) sono di tipo NPN. 8. Stadio di preamplificazione a basso rumore, in particolare per testine magnetiche,caratterizzato dal fatto di comprendere una o pi? delle caratteristiche descritte e/o illustrate.