Opis patentowy opublikowano: 25.10.1984 Int. Cl.3 H03F 3/187 [~c u pii. l r ?du «; |.» i L L N 1 A 1 PrVi»nTo*r^ao 1 «" ' t^| | Twórcawynalazku: Andrzej Wojtowicz Uprawniony z patentu tymczasowego: Andrzej Wojtowicz, Warszawa (Polska) Analogowy wzmacniacz scalony ze zmodyfikowanym funkcjonalnie ukladem elektrycznym Przedmiotem rozwiazania jest analogowy wzmacniacz scalony ze zmodyfikowanym funkcjo¬ nalnie ukladem elektrycznym.Modyfikacja funkcjonalna elektrycznego monolitycznego analogowego ukladu scalonego, zawierajacego jeden lub wiecej wzmacniaczy napieciowych oraz przynajmniej jeden niezalezny tranzystor, polega na wykonaniu odpowiednich polaczen zewnetrznych. Zmodyfikowany wzmac¬ niacz przeznaczony jest glównie do zastosowania w ukladach niskiej czestotliwosci.Znane powszechnie sa uniwersalne liniowe wzmacniacze scalone (wzmacniacze operacyjne), których przykladem sa najczesciej spotykane typy uA 709 i uA 741 lub ich odpowiedniki. Wzmac¬ niacze te znajduja zastosowanie m.in. w ukladach niskiej czestotliwosci, gdzie moga pelnic bardzo rózne funkcje ze wzgledu na swoje wlasciwosci, jak np. mozliwosc wykorzystywania wejscia inwersyjnego lub nieinwersyjnego oraz wysokie wzmocnienie. Ich slabym punktem w wyzej wymie¬ nionych zastosowaniach to dosc duze szumy wlasne oraz nie zawsze pozadana charakterystyka czestotliwosciowa (jak w wypadku uA741).Znane tez sa liniowe wzmacniacze scalone przeznaczone specjalnie do ukladów niskiej czesto¬ tliwosci i wyrózniajace sie wysokiejjakosci parametrami oraz uniwersalnoscia zastosowan. Przykla¬ dem sa typy LM 381 i TBA 231, produkcji znanych firm zachodnich. Koszt ich jest jednak duzo wyzszy niz wspomnianych wzmacniaczy operacyjnych.Znane sa równiez stosunkowo proste i tanie monolityczne liniowe wzmacniacze scalone, posiadajace z reguly dwa stopnie wzmocnienia, do stosowania w ukladach niskiej czestotliwosci, m.in. produkowane w kraju obwody typu UL 132IN (odpowiednik LA 3101-Sanyo). Jest to podwójny przedwzmacniacz napieciowy z niezaleznym tranzystorem (dane techniczne UL 1321N: biuletyn PIE „Elementy Pólprzewodnikowe i Uklady Scalone — Zastosowania — Uklady Analo¬ gowe nr 2 rok 1973 str. 71-76).Obwód ten na pewne zalety w stosunku do wymienionych popularnych wzmacniaczy opera¬ cyjnych, jak mniejsze szumy wlasne i mozliwosc pracy przy b. niskim napieciu zasilania. Jednoczes¬ nie ustepuje im znacznie pod wzgledem wzmocnienia oraz uniwersalnosci zastosowan, ze wzgledu na konstrukcje, która przewiduje uzywanie jako zacisku wejsciowego zasadniczo wejscia nieinwer¬ syjnego (o dosc duzej rezystancji wejsciowej). Szerszemu wykorzystaniu wejscia inwersyjnego2 127 219 przeszkadza wewnetrzny obwód sprzezenia zwrotnego, ograniczajacy rezystancje tego wejscia.Rola wejscia inwersyjnego sprowadza sie w zasadzie do ustalania poziomu wzmocnienia (przy pomocy odpowiedniej rezystancji zewnetrznej bocznikujacej to wejscie do masy).Istota wynalazku polega na przeksztalceniu, pod wzgledem elektrycznym, struktury funkcjo¬ nalnej obwodu scalonego, zawierajacego przynajmniej jeden wzmacniacz napieciowy o dwóch stopniach wzmocnienia, z wyprowadzeniem dla kompensacji czestotliwosciowej (charakteryzujacy sie ograniczeniami w korzystaniu z wejscia inwersyjnego oraz niezbyt duzym wzmocnieniem), jak równiez zawierajacego niezalezny tranzystor — w obwód scalony posiadajacy, w miejsce tych dwóch oddzielnych podzespolów, jeden nowy podzespól, który stanowi wzmacniacz napieciowy o trzech stopniach wzmocnienia (okreslany dalej jako „wzmacniacz zmodyfikowany") z wejsciem inwersyjnym oraz z duzym wzmocnieniem z otwarta petla sprzezenia zwrotnego: Realizacja powyzszego przeksztalcenia polega na odpowiednim przeprowadzeniu polaczen zewnetrznych wraz z zastosowaniem niezbednych elementów biernych i przedstawia sie nastepu¬ jaco: wyjscie wzmacniacza podstawowego (skonstruowanego przez producenta, dalej okreslanego jako „wzmacniacz oryginalny") polaczone jest z baza niezaleznego tranzystora pracujacego w ukladzie OE, którego kolektor stanowi obecnie wyjscie wzmacniacza zmodyfikowanego. Punkt pracy tranzystora ustalony jest przez rezystor w emiterze zabocznikowany kondensatorem.Rezystor w obwodzie kolektora dolaczony jest do dodatniego zacisku napiecia zasilania, do którego tez przylaczony jest obwód zasilania oryginalnego wzmacniacza przez rezystor ustalajacy punkt pracy wzmacniacza, wlasciwy dla wspólpracy z tranzystorem. Koncówka zasilana wzmac¬ niacza oryginalnego jest zablokowana kondensatorem do masy. Petla sprzezenia zwrotnego wzmacniacza oryginalnego jest rozwarta, na skutek zwarcia przez kondensator do masy, dawnego wejscia inwersyjnego (przy zalozeniu, ze obwód sprzezenia zwrotnego wzmacniacza oryginalnego znajduje sie wewnatrz obwodu scalonego). Zmodyfikowany wzmacniacz ma dwie galezie kompen¬ sacji czestotliwosciowej, skladajace sie z szeregowych ukladów RC,jedna pomiedzy baza i kolekto¬ rem tranzystora wyjsciowego a druga pomiedzy koncówka kompensacji oryginalnego wzmacniacza oraz jego wejsciem (dawnym wejsciem nieinwersyjnym), które po modyfikacji pelni role wejscia inwersyjnego.Tak zmodyfikowany uklad przedstawia sie jako wzmacniacz z wejsciem inwersyjnym, z uziemionym (dla przebiegów zmiennych) wejsciem nieinwersyjnym i z otwarta petla sprzezenia zwrotnego (w celu zaaplikowania pozadanego sprzezenia nalezy utworzyc obwód sprzezenia zwrotnego za pomoca elementów zewnetrznych pomiedzy wyjsciem a wejsciem wzmacniacza zmodyfikowanego), oraz ze wzmocnieniem, z otwarta petla sprzezenia, znacznie wyzszym niz wzmocnienie wzmacniacza oryginalnego.Rozwiazanie wedlug wynalazku zwieksza zakres zastosowan ukladów scalonych przeznaczo¬ nych pierwotnie do pelnienia ograniczonych funkcji.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykladzie wykonania na rysunku, którego fig. 1 przedstawia schemat ideowy ukladu scalonego przed modyfikacja, fig. 2 przedstawia schemat ideowy wzmacniacza zmodyfikowanego, a fig. 3 przedstawia schemat ideowy wzmacniacza zmo¬ dyfikowanego w przykladzie zastosowania w ukladzie regulacji barwy dzwieku.Jak pokazano na fig. 1 rysunku w obudowie ukladu scalonego US znajduje sie przynajmniej jeden linidwy wzmacniacz dwustopniowy L (wzmacniacz oryginalny) oraz niezalezny tranzystor T.Wzmacniacz L posiada wyprowadzone koncówki: wejscia nieinwersyjnego g,wejscia inwersyjnego g', plusa zasilania a, minusa zasilania a', wyjscia wzmacniacza w, kompensacji czestotliwosciowej k.Tranzystor T posiada wyprowadzone koncówki: bazy b, kolektora c, emitera e.Na figurze 2 rysunku przedstawiono pokazany poprzednio uklad scalony US po przeksztalce¬ niu, w którym w miejsce wzmacniacza L i tranzystora T utworzono zmodyfikowany wzmacniacz M. Wykonane polaczenia stanowia jednoczesnie przygotowanie ukladu do pracy.Wyprowadzenie zasilania a' polaczone jest z masa, drugie wyprowadzenie zasilania a z kondensatorem blokujacym do masy Ca oraz przez rezystor Ra z dodatnim biegunem zródla zasilania Ucc, którego biegun ujemny laczy sie z masa. Wyprowadzenie wejscia g' (dawnego wejscia inwersyjnego wzmacniacza L) polaczone jest z masa przez kondensator Cf. Wyprowadzenie wejscia g (dawnego wejscia nieinwersyjnego wzmiacniacza L) stanowi zacisk wejscia inwersyjnego wzmacniacza M i dolaczone jest do ukladu kompensacji czestotliwosciowej, skladajacego sie z127219 3 szeregowo polaczonych rezystora Rkl i kondensatora Ckl, którego druga koncówka dolaczona jest do wyprowadzenia kompensacji czestotliwosciowej k. Wyprowadzenie w (dawne wyjscie wzmacniacza L) polaczone jest z wyprowadzeniem b (dawnym wyprowadzeniem bazy tranzystora T) oraz z jedna koncówka nastepnego ukladu kompensacji czestotliwosciowej, skladajacego sie z szeregowo polaczonych rezystora Rk2 i kondensatora Ck2, którego druga koncówka dolaczona jest do wyprowadzenia c (dawnego wyprowadzenia kolektora tranzystora T). Do wyprowadzenia c, pelniacego role zacisku wyjsciowego wzmacniacza M, dolaczonyjest tez rezystor Re, przylaczony dalej do dodatniego zacisku zródla zasilania Ucc. Wyprowadzenie e (dawne wyprowadzenie emitera tranzystora T) polaczone jest przez rezystor Re z masa. Równolegle do Re przylaczony jest kondensator blokujacy Ce.Rozbudowanie dwustopniowego wzmacniacza oryginalnego poprzez dodanie trzeciego stop¬ nia wzmocnienia zmienia faze sygnalu na wyjsciu, tak zmodyfikowanego wzmacniacza, o 180°, powodujac zmiane znaków obu wejsc, oraz zwieksza modul wzmocnienia. Przykladowo, niektóre parametry zmodyfikowanego wzmacniacza, zbudowanego z uzyciem obwodu scalonego typu UL 1321N, przedstawiaja sie nastepujaco: napiecie zasilania Ucc od 3 V do 15 V, napiecie wyjsciowe do 3Vsk. (przy Ucc=15V), wzmocnienie przy rozwartej petli sprzezenia srednio 50000 (przy Ucc=15V).Figura 3 rysunku pokazuje uklad scalony z polaczeniami jak na poprzedniej figurze, w przykladzie zastosowania w ukladzie aktywnej regulacji barwy dzwieku (typu Baxandalla'a).Zacisk wyjsciowy c wzmacniacza M polaczony jest przez kondensator separujacy Co z zaciskiem wyjsciowym ukladu regulacji oraz przez szeregowo polaczone rezystory Rx i Rz do masy. Do punktu polaczenia Rx z Rz dolaczony jest standardowy uklad regulacyjny z dwoma potencjome¬ trami, dla niskich i wysokich czestotliwosci. Odpowiedni punkt ukladu regulacyjnego polaczony jest przez kondensator separujacy Ci z zaciskiem wejsciowym wzmacniacza M.Rezystory Rx i Rz oraz uklad regulacyjny tworza petle ujemnego sprzezenia zwrotnego wzmacniacza M. Wzmocnienie calego ukladu, niezalezne od czestotliwosci, ustalic mozna dobiera¬ jac odpowiednio stosunek rezystancji Rx i Rz.Przykladowo, niektóre parametry przedstawionego ukladu regulacji barwy dzwieku, z zasto¬ sowaniem ukladu scalonego UL 1321N, przedstawiaja sie nastepujaco: napiecie zasilania Ucc= 15 V, regulacja przy 40 Hz ± 15 dB, przy 16 kHz ± 15 dB, przy 1 kHz wzmocnienie jest stale niezaleznie od polozenia regulatorów. Przy srodkowym ustawieniu regulatorów znieksztalcenia nieliniowe, w calym pasmie czestotliwosci akustycznych od 20 Hz do 20 kHz, sa mniejsze od 0,1% przy napieciu wyjsciowym 2 V sk. i wzmocnieniu ukladu od 1 do 25. Dla porównania: po zastosowa¬ niu w ukladzie regulacji barwy dzwieku wzmacniacza operacyjnego uA 741 (lub ULY7741N),przy wzmocnieniu równemu 25 i innych warunkach jak powyzej, znieksztalcenia nieliniowe przy 20 kHz przekroczyly 0,5%.Zmodyfikowany, wedlug wynalazku, uklad scalony moze znalezc zastosowanie szczególnie w ukladach niskiej czestotliwosci, jak uklady aktywnej regulacji barwy dzwieku, filtry aktywne, korektory charakterystyki czestotliwosciowej, miksery. PL