RU2183380C2 - Multistage transistor amplifier - Google Patents

Multistage transistor amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2183380C2
RU2183380C2 RU2000113302A RU2000113302A RU2183380C2 RU 2183380 C2 RU2183380 C2 RU 2183380C2 RU 2000113302 A RU2000113302 A RU 2000113302A RU 2000113302 A RU2000113302 A RU 2000113302A RU 2183380 C2 RU2183380 C2 RU 2183380C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transistors
amplifier
transistor
resistor
load
Prior art date
Application number
RU2000113302A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000113302A (en
Inventor
Г.Ф. Прищепов
Т.М. Прищепова
Original Assignee
Таганрогский государственный радиотехнический университет
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 Таганрогский государственный радиотехнический университет filed Critical Таганрогский государственный радиотехнический университет
Priority to RU2000113302A priority Critical patent/RU2183380C2/en
Publication of RU2000113302A publication Critical patent/RU2000113302A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2183380C2 publication Critical patent/RU2183380C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: multistage transistor amplifier can be used to design amplifiers based on transistors which do not distort amplified signal. It has stages built on p-n-p and n-p-n transistors connected with emitters through resistor R. Resistive loads are connected to collectors of transistors which bases form common controlling electrode coupled to power supply source via one common element of feedback of stages. Bases of other transistors of each next stage starting with second transistor are connected to load of previous stage. Collector loads of stages are comprised of 2N semiconductor diodes connected in series and of resistor of NR value, where N is integral number. EFFECT: improved compensation for nonlinear distortions. 12 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано для построения усилителей на транзисторах, не искажающих усиливаемый сигнал. По установившейся терминологии такие усилители, выполненные на электровакуумных радиолампах и трансформаторах, называют High-end (хай-энд: "так хороши, что дальше некуда"). Изобретение может упростить, удешевить, миниатюризировать High-end аппаратуру. The invention relates to the field of electronic technology and can be used to build amplifiers on transistors that do not distort the amplified signal. According to established terminology, such amplifiers made on vacuum tubes and transformers are called High-end (hi-end: "so good that there is nowhere else"). The invention can simplify, reduce the cost, miniaturize High-end equipment.

Известен усилитель (каскад многокаскадного усилителя), представляющий собой соединение транзисторов рnр- и nрn-типов проводимостей - книга Лоу А. и др. "Основы полупроводниковой электроники", пер. с англ. под редакцией Гальперина Е.И., М.: Советское радио, 1956, с.258. Данное устройство названо Лоу "усилителем с дополнительной симметрией". По современной терминологии это "усилитель на комплементарных транзисторах" (К-каскад, К-усилитель). Эти каскады на комплементарных транзисторах имеются в заявляемом объекте. A well-known amplifier (cascade of a multistage amplifier), which is a combination of transistors of pnp and npn types of conductivities, is a book by Low A. et al. "Fundamentals of semiconductor electronics", trans. from English edited by Halperin E.I., M .: Soviet Radio, 1956, p. 258. This device is called Lowe "amplifier with additional symmetry." According to modern terminology, this is an “amplifier with complementary transistors” (K-cascade, K-amplifier). These cascades on complementary transistors are available in the claimed object.

Схема К-каскада, приспособленного к нашим потребностям, показана на фиг. 1. Здесь с помощью источников 3, 5, 9 резисторов 4, 7 транзисторам 2, 6 задаются постоянные токи, напряжения. Входной сигнал 1 (синусоидальное напряжение), приложенный к базе транзистора 2, увеличивает токи транзисторов 2 и 6, если полупериод сигнала положительный. Отрицательный полупериод уменьшает токи транзисторов. Переменный ток протекает через эмиттерное сопротивление 4 и коллекторную нагрузку, состоящую из резистора 7, диода 8. A diagram of a K-cascade adapted to our needs is shown in FIG. 1. Here, using sources 3, 5, 9 of resistors 4, 7, transistors 2, 6 are set to direct currents, voltages. Input signal 1 (sinusoidal voltage) applied to the base of transistor 2 increases the currents of transistors 2 and 6 if the half-cycle of the signal is positive. A negative half-cycle reduces the currents of the transistors. Alternating current flows through the emitter resistance 4 and the collector load, consisting of a resistor 7, a diode 8.

На фиг.1 показано условие компенсации нелинейных искажений: если выбрано сопротивление R и желаемое усиление напряжения N=1, 2, 3..., то коллекторная нагрузка должна строиться по формуле ZK=NR+2ND, т.е. последовательно с резистором в коллекторе следует включить 2N штук диодов. Тогда нелинейные искажения сигнала по выходам К6, Э2 компенсируются. Доказательство компенсации искажений см. далее.Figure 1 shows the condition for the compensation of nonlinear distortions: if the resistance R and the desired voltage gain N = 1, 2, 3 ... are selected, then the collector load should be constructed according to the formula Z K = NR + 2ND, i.e. 2N diodes should be connected in series with the resistor in the collector. Then the nonlinear distortion of the signal at the outputs of K6, E2 are compensated. See the proof of distortion compensation below.

Технический результат заявляемого изобретения не может быть обеспечен с помощью К-каскадов, поскольку многокаскадный усилитель, построенный из n штук К-каскадов, обычным образом имеет существенный недостаток: для соединения каскадов требуется значительное количество вспомогательных элементов (RC-цепей и т.п.). Это плохо, - каждая цепь вносит нелинейные искажения при переходных процессах. The technical result of the claimed invention cannot be achieved using K-stages, since a multi-stage amplifier built of n pieces of K-stages, in the usual way, has a significant drawback: a significant number of auxiliary elements (RC circuits, etc.) are required to connect the cascades. . This is bad - each circuit introduces non-linear distortion during transients.

Наиболее подходящим техническим решением по функциональному назначению и технической сути является n-каскадный усилитель, в котором рационально соединены "каскады с дополнительной симметрией", работа каскадов по переменному току обеспечена одним конденсатором (фиг.2). Многокаскадный транзисторный усилитель, каскады которого построены из рnр- и nрn-транзисторов, соединенных эмиттерами, в коллекторы одного из транзисторов каскадов включены резистивные нагрузки, база одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада, а базы всех других транзисторов соединены вместе, образуя общий управляющий электрод каскадов, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов. Этот усилитель имеется в заявляемом объекте. The most suitable technical solution for the functional purpose and technical essence is an n-cascade amplifier, in which "cascades with additional symmetry" are rationally connected, the operation of the cascades for alternating current is provided by one capacitor (Fig. 2). A multistage transistor amplifier whose cascades are built of pnp and npn transistors connected by emitters, resistive loads are included in the collectors of one of the cascade transistors, the base of one of the transistors of each subsequent stage, starting from the second, is connected to the load of the previous cascade, and the bases of all others transistors are connected together, forming a common cascade control electrode connected to a power source through one common cascade feedback element. This amplifier is available in the claimed object.

Схема предложена авторами заявки в 1972 году: Прищепов Г.Ф., Прищепова Т. М. Многокаскадный усилитель. Авт. свид. 327568 (СССР). Опубл. в бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки", 1972, 5. Научная публикация на эту тему приведена в сборнике "Полупроводниковая электроника в технике связи". Вып. 19. Под ред. И.Ф. Николаевского. Москва, Связь, 1978, с. 35-45: статья "Транзисторная структура для симметричных усилителей". Эта транзисторная структура принята нами за прототип. The scheme was proposed by the authors of the application in 1972: Prishchepov G.F., Prishchepova T. M. Multistage amplifier. Auth. testimonial. 327568 (USSR). Publ. in the bull. "Discoveries. Inventions. Industrial Designs. Trademarks", 1972, 5. A scientific publication on this subject is given in the collection "Semiconductor Electronics in Communication Technology". Vol. 19. Ed. I.F. Nikolaevsky. Moscow, Communications, 1978, p. 35-45: article "Transistor structure for balanced amplifiers." This transistor structure is accepted by us as a prototype.

Технический результат заявляемого изобретения не может быть достигнут в прототипе по причине его недостатков. Недостатки усилителя фиг.2 в том, что нелинейные искажения такие же, как и для обычного транзисторного усилителя. Иначе говоря, отсутствует компенсация нелинейных искажений. The technical result of the claimed invention cannot be achieved in the prototype due to its shortcomings. The disadvantages of the amplifier of FIG. 2 are that the non-linear distortions are the same as for a conventional transistor amplifier. In other words, there is no compensation for non-linear distortions.

Задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в том, что необходимо компенсировать (уничтожить) нелинейные искажения каскадов многокаскадного транзисторного усилителя фиг. 2. Технический результат заключается в том, что:
- находится условие компенсации нелинейных искажений для усилительного каскада на транзисторе (фиг.1 и 2);
- изменяются коллекторные и эмиттерные цепи каскадов-усилителей фиг.2 (прототипа) и т.о. делается переход к фиг.3 - заявляемому объекту.
The challenge facing the inventor was that it was necessary to compensate (destroy) the nonlinear distortion of the cascades of the multistage transistor amplifier of FIG. 2. The technical result is that:
- there is a condition for the compensation of nonlinear distortions for the amplifier stage on the transistor (figures 1 and 2);
- change the collector and emitter circuit of the cascade amplifiers of figure 2 (prototype), etc. the transition is made to figure 3 - the claimed object.

Технический результат достигается тем, что последовательно с эмиттерами транзисторов каждого каскада включены резисторы величины R, равной резистору эмиттерной нагрузки последнего каскада, а коллекторные нагрузки предыдущих каскадов составлены из 2N штук последовательно соединенных полупроводниковых диодов и резистора величины NR, где N - целое число (1, 2, 3...). The technical result is achieved by the fact that in series with the emitters of the transistors of each stage, resistors of the value R equal to the resistor of the emitter load of the last stage are connected, and the collector loads of the previous stages are composed of 2N pieces of series-connected semiconductor diodes and a resistor of the value NR, where N is an integer (1, 2, 3 ...).

В результате появляются новые существенные признаки заявляемого объекта по сравнению с прототипом: усовершенствованная транзисторная структура фиг.3 содержит наборы транзисторов рnр- и nрn-типов проводимости, наборы диодов, наборы резисторов, только один конденсатор. As a result, new significant features of the claimed object appear in comparison with the prototype: the improved transistor structure of Fig. 3 contains sets of transistors of pnp and npn types of conductivity, sets of diodes, sets of resistors, only one capacitor.

Новые существенные признаки заявляемого объекта порождают следующие его новые свойства:
- компенсируются нелинейные искажения усиливаемых сигналов. Транзисторная High-end аппаратура достигает качества "лампово-трансформаторного High-end -a";
- High-end усилители могут быть миниатюризированы, могут быть выполнены в виде дешевой микросхемы с малым потреблением энергии.
New significant features of the claimed object give rise to the following new properties:
- non-linear distortions of amplified signals are compensated. Transistor High-end equipment achieves the quality of "tube-transformer High-end";
- High-end amplifiers can be miniaturized, can be made in the form of a cheap microcircuit with low energy consumption.

Указанные свойства, неизвестные ранее для прототипа, позволяют считать, что заявляемое техническое решение соответствует критериям "новизна", изобретательский уровень и "промышленная применимость". These properties, previously unknown for the prototype, suggest that the claimed technical solution meets the criteria of "novelty", inventive step and "industrial applicability".

Теоретические доказательства возможности достижения цели приведены далее в описании статики и динамики усилителя. Theoretical evidence of the possibility of achieving the goal is given below in the description of the statics and dynamics of the amplifier.

Предлагаемое изобретение проясняется чертежами. The present invention is clarified by the drawings.

На фиг. 1 показан "каскад с дополнительной симметрией" (по Лоу А.) или комплементарный усилитель, K-усилитель. In FIG. 1 shows a “cascade with additional symmetry” (according to Low A.) or a complementary amplifier, K-amplifier.

На фиг.2 представлен способ соединения K-каскадов в многокаскадный усилитель (транзисторную структуру). Структура может быть протяженной, состоять из n-штук каскадов, где n - четное число. Последний каскад выполняется эмиттерным повторителем. Figure 2 presents a method of connecting K-stages to a multi-stage amplifier (transistor structure). The structure can be extended, consist of n-pieces of cascades, where n is an even number. The last cascade is performed by an emitter follower.

На фиг.3 показан заявляемый объект - многокаскадный транзисторный усилитель. Он составлен из комплементарных транзисторов. В эмиттеры каждой пары транзисторов введен резистор номинала R, коллекторные нагрузки построены по формуле ZК=NR+2ND. N=1, 2, 3... Выражение 2D возникает здесь по причине последовательного соединения двух рn-переходов БЭ транзисторов, поскольку необходимо компенсировать нелинейность этих двух переходов. Условно показан только один диод в коллекторных нагрузках (вместо 2N-штук диодов).Figure 3 shows the inventive object is a multi-stage transistor amplifier. It is made up of complementary transistors. A resistor of nominal R is introduced into the emitters of each pair of transistors, collector loads are constructed according to the formula Z K = NR + 2ND. N = 1, 2, 3 ... The expression 2D arises here due to the series connection of two pn junctions of the BE transistors, since it is necessary to compensate for the nonlinearity of these two junctions. Conventionally, only one diode is shown in collector loads (instead of 2N pieces of diodes).

На фиг. 4 показан одиночный каскад без вспомогательных цепей с транзистором и диодом-нагрузкой. Каскад используется для доказательства условия компенсации нелинейных искажений. In FIG. 4 shows a single stage without auxiliary circuits with a transistor and a load diode. The cascade is used to prove the non-linear distortion compensation condition.

На фиг.5 приведено графическое решение задачи об усилении испытательного сигнала u1 (линейно изменяющегося напряжения) каскадом, у которого в качестве коллекторной нагрузки используется полупроводниковый диод. Выходной сигнал - u2. Он получен методом проекций.Figure 5 shows a graphical solution to the problem of amplifying the test signal u 1 (linearly changing voltage) by a cascade in which a semiconductor diode is used as a collector load. The output signal is u 2 . It is obtained by the projection method.

На фиг.6 показана экспериментальная зависимость частоты среза АЧХ в области низких частот для параллельно-симметричной транзисторной структуры при вариациях емкости СОБ.Figure 6 shows the experimental dependence of the cut-off frequency of the frequency response in the low frequency region for a parallel-symmetric transistor structure with variations in capacitance C OB .

Фиг.7 - иллюстрация метода измерений мгновенных нелинейных искажений сигнала, прошедшего через усилитель. 7 is an illustration of a method for measuring instantaneous nonlinear distortion of a signal transmitted through an amplifier.

Перечень элементов схем:
На фиг.1: 1 - источник сигнала; 2, 6 - транзисторы усилителя;
3, 5, 9 - источники питания, определяющие постоянные токи и напряжения транзисторов 2, 6;
4 - резистор в эмиттерах каскада, номинал резистора R Ом;
7, 8 - коллекторная нагрузка усилителя, - последовательное соединение диодов (2N-штук) и резистора величины 2NR. Здесь N - целое число.
The list of circuit elements:
In Fig.1: 1 - signal source; 2, 6 - transistors of the amplifier;
3, 5, 9 - power sources that determine direct currents and voltages of transistors 2, 6;
4 - resistor in the emitters of the cascade, the resistor value is R Ohm;
7, 8 - collector load of the amplifier, - serial connection of diodes (2N units) and a resistor of 2NR value. Here N is an integer.

На фиг.2: транзисторы пронумерованы по принадлежности к каскадам: 1, 10; 2, 20. . . Индекс "о" указывает на подключение базы данного транзистора к общему электроду ОБ.Figure 2: transistors are numbered according to the cascades: 1, 1 0 ; 2, 2 0 . . . The index "o" indicates the connection of the base of this transistor to the common OB electrode.

4, 5 - источники питания;
6 - резистор, изображающий сопротивление источника сигнала;
7, 8, 9 - резисторы коллекторных нагрузок каскадов 1, 2, 3;
10 - сопротивление нагрузки выходного эмиттерного повторителя;
11 - конденсатор общего электрода транзисторов СОБ;
n, - энный, четный каскад-повторитель протяженной структуры.
4, 5 - power sources;
6 - a resistor depicting the resistance of the signal source;
7, 8, 9 - collector load resistors of cascades 1, 2, 3;
10 - load resistance of the output emitter follower;
11 - capacitor of the common electrode of transistors C AB ;
n, is the nth, even cascade repeater of the extended structure.

На фиг. 3: в эмиттеры каждой пары транзисторов введен резистор номинала R, коллекторные нагрузки построены по формуле ZK=NR+2ND. N=1, 2, 3... Выражение 2D возникает здесь по причине последовательного соединения двух рn-переходов БЭ транзисторов, поскольку необходимо компенсировать нелинейность этих двух переходов. Условно показан только один диод в коллекторных нагрузках (вместо 2N-штук диодов).In FIG. 3: an R-value resistor is introduced into the emitters of each pair of transistors, collector loads are constructed according to the formula Z K = NR + 2ND. N = 1, 2, 3 ... The expression 2D arises here due to the series connection of two pn junctions of the BE transistors, since it is necessary to compensate for the nonlinearity of these two junctions. Conventionally, only one diode is shown in collector loads (instead of 2N pieces of diodes).

Транзисторам, подключенным к электроду ОБ (общая база структуры), присвоены номера с индексами "о". Эти транзисторы pnр-типа проводимостей имеют четные номера, а nрn-транзисторы - нечетные номера. Transistors connected to the OB electrode (common base of the structure) are assigned numbers with indices "o". These pnp transistors have even numbers, and npn transistors have odd numbers.

Структура может быть протяженной, состоять из n каскадов, где n - четное число. Последний каскад делается эмиттерным повторителем. Низкоомный резистор Rc на входе изображает сопротивление источника сигнала.The structure can be extended, consist of n cascades, where n is an even number. The last cascade is made by an emitter follower. The low resistance resistor R c at the input represents the resistance of the signal source.

Два источника питания (батареи) E1, Е2 могут быть заменены одним источником Е= Е1+Е2. В этом варианте сигнал подается на базу Б1 через конденсатор СБ1. Резистор RБ1 и источник Е определяют постоянный ток базы первого транзистора - см. фиг. 3б.Two power sources (batteries) E1, E2 can be replaced by one source E = E1 + E2. In this embodiment, the signal is supplied to the base B1 through the capacitor C B1 . Resistor R B1 and source E determine the direct current base of the first transistor - see FIG. 3b.

1 и 10; 2 и 20; 3 и 30; n и n0 - комплементарные транзисторы первого, второго, третьего и энного каскадов многокаскадного усилителя;
4 - резисторы в эмиттерах комплементарных транзисторов (номинал R Ом);
5 - резисторы коллекторных нагрузок (номинал NR Ом);
6 - диоды компенсаторы нелинейных искажений 2N - штук;
7 - конденсатор в цепи ОБ структуры;
8, 9 - источники ЭДС;
10 - сопротивление источника входного сигнала;
11 - вариант подключения входного сигнала через конденсатор 11;
12 - резистор, задающий ток базы для первого транзистора.
1 and 1 0 ; 2 and 2 0 ; 3 and 3 0 ; n and n 0 are complementary transistors of the first, second, third and nth stages of a multistage amplifier;
4 - resistors in emitters of complementary transistors (nominal R Ohm);
5 - collector load resistors (nominal NR Ohm);
6 - diodes compensators for nonlinear distortion 2N - pieces;
7 - capacitor in the circuit OB structure;
8, 9 - sources of EMF;
10 - resistance of the input signal source;
11 is an embodiment of connecting an input signal through a capacitor 11;
12 is a resistor that sets the base current for the first transistor.

На фиг.4: u1, u2 - напряжения входного и выходного сигналов.Figure 4: u 1 , u 2 - voltage input and output signals.

1 - транзистор; 2 - диод-нагрузка коллекторной цепи. 1 - transistor; 2 - diode-load of the collector circuit.

На фиг.5: точка 1 напряжения u1 проецируется на проходную вольтамперную характеристику транзистора 2, далее - на линию нагрузки 3 и вниз. Сюда же приходит "горизонталь времени". На пересечении этих линий получена точка 4, принадлежащая выходному напряжению u2.Figure 5: point 1 voltage u 1 is projected on the current-voltage characteristic of the transistor 2, then on the load line 3 and down. Here comes the "horizontal of time." At the intersection of these lines, point 4 is obtained, which belongs to the output voltage u 2 .

5 - семейство выходных вольтамперных характеристик транзистора;
ab - ось симметрии нелинейных графиков.
5 - family of output current-voltage characteristics of the transistor;
ab - axis of symmetry of nonlinear graphs.

На фиг.6 показана экспериментальная зависимость частоты среза АЧХ в области низких частот для параллельно-симметричной транзисторной структуры при вариациях емкости СОБ (N=10, R=100 Ом, I=1 мА, β = 50).Figure 6 shows the experimental dependence of the cutoff frequency of the frequency response in the low frequency region for a parallel-symmetric transistor structure with variations in capacitance C OB (N = 10, R = 100 Ohms, I = 1 mA, β = 50).

На фиг. 7а: Г - генератор испытательного сигнала (линейно изменяющееся напряжение); У - исследуемый усилитель; А - аттенюатор (делитель напряжения); Ф - фазовращатель; ДО - двухканальный осциллограф;
u1, u2 - входное и выходное напряжения, приведенные к одному уровню с помощью аттенюатора; Y, Δy; X, Δx - результаты измерений.
In FIG. 7a: G — test signal generator (ramp voltage); U - studied amplifier; A - attenuator (voltage divider); F - phase shifter; DO - two-channel oscilloscope;
u 1 , u 2 - input and output voltages reduced to the same level using an attenuator; Y, Δy; X, Δx - measurement results.

Пример конкретного выполнения усилителя показан на фиг.3. С помощью этой фигуры поясняются статика и динамика устройства. An example of a specific implementation of the amplifier is shown in Fig.3. Using this figure, the statics and dynamics of the device are explained.

Статика, связи элементов. Обеспечение нормальной работы структуры по постоянному току при выбранных N, R, I, одинаковых транзисторах, диодах, известных напряжениях Uбэ, Uд, β транзисторов сводится к обеспечению ЭДС источников Е1, Е2: Е1=NRI+12nuд; E=Е1+2RI+4Uбэ. Здесь, N=1, 2, 3... - желаемое усиление напряжения для каскада структуры; I - выбранный ток коллекторов. Если применяется один источник питания, то его ЭДС
Е=Е12.
Statics, communication elements. Ensuring the normal operation of the structure by direct current with selected N, R, I, the same transistors, diodes, known voltages U be , U d , β transistors is reduced to providing EMF sources E1, E2: E 1 = NRI + 12nu d ; E = E 1 + 2RI + 4U BE. Here, N = 1, 2, 3 ... is the desired voltage gain for the cascade of the structure; I is the selected collector current. If one power source is used, then its EMF
E = E 1 + E 2 .

Ток базе первого транзистора в этом варианте задают с помощью сопротивления RБ1, сигнал подают через конденсатор:
RБ11/Iб1, Iб1 = I/β.
В результате выполнения перечисленных условий токи транзисторов 1, 10, 2, 20 и т.д. оказываются одинаковыми и равными выбранному току I. Напряжения база-коллектор транзисторов 1, 3, 5... равны Е1. Напряжение база-коллектор транзисторов 10, 20... равно IR+2UБЭ.
The current base of the first transistor in this embodiment is set using the resistance R B1 , the signal is fed through a capacitor:
R B1 = E 1 / I b1 , I b1 = I / β.
As a result of the above conditions, the currents of the transistors 1, 1 0 , 2, 2 0 , etc. turn out to be the same and equal to the selected current I. The base-collector voltages of the transistors 1, 3, 5 ... are equal to E1. The voltage of the base-collector of transistors 1 0 , 2 0 ... is equal to IR + 2U BE .

Типовая температурная нестабильность напряжений рn-переходов составляет - 2 мВ/град, поэтому для стабилизации токов транзисторов следует обеспечить дрейф напряжений Е1, Е2, Е (мВ/град):
- 4N для Е1; - 4(N+4) для E2;
- (8N+16) для E.
Typical temperature instability of the voltage of the pn junctions is - 2 mV / deg, therefore, to stabilize the transistor currents, it is necessary to ensure the voltage drift E1, E2, E (mV / deg):
- 4N for E1; - 4 (N + 4) for E2;
- (8N + 16) for E.

Динамика. По переменному току каскады структуры автономны, независимы, если сопротивление емкости Соб=0. Усилительные каскады образованы транзисторами 1 и 10, 2 и 20, 3 и 30 и т.д. Но в области низких частот через Соб образуется система "распределенных" отрицательных обратных связей каскадов. Эта система связей и определяет нижнюю граничную частоту fн полосы пропускания по уровню -3 дБ. Экспериментальный график fн=f(Соб), показанный на фиг.6, получен при I=1 мА, N=10, R=100 Ом, β = 50. График хорошо описывается формулой
2πfн = 1/t; t=rобCоб; rоб=40 Ом.
Dynamics. According to alternating current, the cascades of the structure are autonomous, independent, if the resistance of the capacitance C about = 0. Amplification stages are formed by transistors 1 and 1 0 , 2 and 2 0 , 3 and 3 0 , etc. However, at low frequencies through the system C is formed on the "distributed" negative feedback stages. This communication system determines the lower cutoff frequency f n of the passband at the level of -3 dB. The experimental graph f n = f (C about ), shown in Fig.6, obtained at I = 1 mA, N = 10, R = 100 Ohms, β = 50. The graph is well described by the formula
2πf n = 1 / t; t = r about C about ; r about = 40 Ohms.

Здесь rоб - дифференциальное сопротивление зажимов ОБ -"земля".Here r about - the differential resistance of terminals ON - "earth".

Теоретическое обоснование возможности осуществления устройства, возможности компенсации нелинейных искажений представлен рубриками "упрощенный анализ" и "обобщения". The theoretical justification for the possibility of implementing the device, the possibility of compensating for non-linear distortions is presented by the sections "simplified analysis" and "generalization".

Упрощенный анализ. Используем функциональный минимум усилительного каскада: биполярный транзистор с диодом-нагрузкой в коллекторе (фиг.4). Схема каскада показана условно, по переменному току, без источника питания, без вспомогательных элементов. Обозначим входной сигнал uвх = ΔUбэ = u1; приращение напряжения диода-нагрузки ΔUД = u2. Приращения токов эмиттера, коллектора, диода:

Figure 00000002

Пусть вольтамперные характеристики (ВАХ) перехода БЭ и диода-нагрузки одинаковы: J= a exp(bu)-а. Здесь а - ток насыщения перехода, b - показатель степени экспоненты. Связь между напряжением диода и его током описывается функцией логарифма
u=1/b ln[(i+а)/а].Simplified analysis. We use the functional minimum of the amplifier stage: a bipolar transistor with a diode-load in the collector (Fig. 4). The cascade diagram is shown conditionally, by alternating current, without a power source, without auxiliary elements. Denote the input signal u in = ΔU BE = u 1 ; the voltage increment of the diode load ΔU D = u 2 . The increment of the currents of the emitter, collector, diode:
Figure 00000002

Let the current-voltage characteristics (CVC) of the BE transition and the load diode be the same: J = a exp (bu) -a. Here a is the transition saturation current, b is the exponent. The relationship between the voltage of the diode and its current is described by the logarithm function
u = 1 / b ln [(i + a) / a].

Если ток i вызван u1, а затем возникает напряжение u2 диода, то
u2=(1/b2)ln[(а ехр(b1u1)-a+а)/a]=u1, если b1=b2.
If the current i is caused by u 1 , and then the voltage u 2 of the diode occurs, then
u 2 = (1 / b 2 ) ln [(a exp (b 1 u 1 ) -a + a) / a] = u 1 if b 1 = b 2 .

В результате u2, повторяет u1, - нелинейные искажения компенсируются. Компенсация нелинейных искажений подтверждается графически с помощью фиг. 5. Здесь обозначено:
1 - испытательный входной сигнал u1 - "пилообразное" напряжение;
2 - вольтамперная характеристика (ВАХ) перехода БЭ;
3 - ВАХ диода коллекторной нагрузки, построенная из точки Е влево;
4 - выходное напряжение u2, полученное методом проекций;
5 - семейство выходных ВАХ транзисторов.
As a result, u 2 , repeats u 1 , - non-linear distortions are compensated. The non-linear distortion compensation is confirmed graphically using FIG. 5. It is indicated here:
1 - test input signal u 1 - "sawtooth"voltage;
2 - current-voltage characteristic (CVC) of the BE transition;
3 - CVC of the collector load diode, built from point E to the left;
4 - output voltage u 2 obtained by the projection method;
5 - family of output I-V characteristics of transistors.

Отрезок ОЕ - напряжение питания каскада. Линии со стрелками отражают последовательность проекций. График 3 - это зеркальная копия графика 2 относительно оси аb. The segment OE is the supply voltage of the cascade. The lines with arrows reflect the sequence of projections. Graph 3 is a mirror copy of graph 2 relative to the ab axis.

Отметим, что нелинейные искажения компенсируются в режиме большого сигнала, по всей ВАХ нелинейного элемента. Note that the nonlinear distortion is compensated in the large signal mode, throughout the CVC of the nonlinear element.

Обобщение 1. Если показатели степеней экспонент для переходов БЭ и диода разные, если b1/b2= N, то компенсация искажений сопровождается усилением напряжения в N раз. Аналогичный эффект получается при включении в коллектор N штук диодов, ВАХ которых идентичны с ВАХ перехода БЭ.Generalization 1. If the exponent exponents for the BE and diode transitions are different, if b 1 / b 2 = N, then distortion compensation is accompanied by a voltage increase of N times. A similar effect is obtained when N pieces of diodes are included in the collector whose I – V characteristics are identical to the I – V characteristics of the BE transition.

Обобщение 2. Если известна ВАХ нагрузки, то для компенсации нелинейных искажений усилителя следует выбрать усилительный элемент с вольтамперной характеристикой, подобной вольтамперной характеристике нагрузки. К примеру, нагрузкой кремниевого транзистора может быть германиевый диод: обе ВАХ - экспоненты. Generalization 2. If the I – V characteristic of the load is known, then to compensate for the nonlinear distortion of the amplifier, one should choose an amplifier element with a current – voltage characteristic similar to the current – voltage characteristic of a load. For example, the load of a silicon transistor can be a germanium diode: both I – V characteristics are exponentials.

В High-end усилителях на электронных лампах анодной нагрузкой служит первичная обмотка трансформатора. Вольтамперная характеристика нагрузки соответствует кривой намагничения электротехнической стали. In high-end amplifiers with electronic tubes, the primary winding of the transformer serves as the anode load. The current-voltage characteristic of the load corresponds to the magnetization curve of electrical steel.

Графики ВАХ электронных ламп зависят от вариации шага сетки-спирали вдоль длины стержня-катода. Классический пример на эту тему представляет нам варимю-пентод 6К4, сделанный для радиоприемников с автоматической регулировкой усиления (книга: Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы. М., 1960. - с.232). The graphs of the I – V characteristics of electron tubes depend on the variation of the grid-helix pitch along the length of the cathode rod. A classic example on this subject is presented to us by the 6K4 pentode varium, made for radios with automatic gain control (book: Vlasov V.F. Electronic and ionic devices. M., 1960. - p.232).

Разработчики High-end усилителей случайно или в порядке ноу-хау пользуются законом компенсации нелинейных искажений (обобщением 2). Они так подбирают тип электронной лампы, чтобы ее ВАХ соответствовала ВАХ первичной обмотки анодного трансформатора. Обобщение 2 они называют звуковым равновесием. Но компенсацию искажений удается осуществить только для начального участка кривой намагничения. Следовательно, приходится делать "значительный запас усиления по мощности, но не использовать всю мощность усилителя". The developers of High-end amplifiers randomly or in a know-how manner use the law of compensation of non-linear distortions (generalization 2). They select the type of electronic lamp so that its I – V characteristic corresponds to the I – V characteristic of the primary winding of the anode transformer. Generalization 2 they call sound equilibrium. But distortion compensation can only be performed for the initial portion of the magnetization curve. Therefore, you have to make "a significant margin of gain in power, but not to use the entire power of the amplifier."

Обобщение 3. Для компенсации нелинейных искажений усилительного каскада с резистором R в эмиттере потребуется N штук (R+D) - элементов коллекторной нагрузки. Если D - диоды с ВАХ, идентичными ВАХ перехода БЭ, то усиление напряжения компенсированного каскада равно N. Generalization 3. To compensate for the nonlinear distortion of the amplifier stage with resistor R in the emitter, N pieces (R + D) are required - collector load elements. If D are diodes with the I – V characteristics identical to the I – V characteristics of the BE transition, then the voltage gain of the compensated stage is N.

Обобщение 3 лучше всего проверяется с помощью программ анализа электронных схем на ПЭВМ, когда можно задавать и проверять любые ВАХ нелинейных элементов. Generalization 3 is best checked with the help of PC circuit analysis programs, when it is possible to set and check any I – V characteristics of nonlinear elements.

В литературе обсуждались нелинейные искажения, возникающие во время переходных процессов в RC - цепях, расположенных между каскадами или в контуре обратной связи, охватывающей многокаскадный усилитель. Сделаны выводы о пользе обратных связей, "распределенных по каскадам", о минимуме RC - цепей в усилителе. Перечисленным требованиям удовлетворяет параллельно-симметричная транзисторная структура фиг.2, если в эмиттеры каждой пары комплементарных транзисторов ввести резистор R, а коллекторные нагрузки построить по формуле Zк=NR+2ND (фиг.3). Коэффициент 2 возникает здесь по причине последовательного соединения двух рn-переходов БЭ комплементарных транзисторов. На фиг. 3 условно показано по одному диоду в нагрузках каскадов (вместо ZN-штук). Эмиттерный повторитель структуры (n-й каскад фиг.3, 2) отличается тем, что переменное напряжение un подается на нагрузку R через переход БЭ nрn-транзистора, а снимается с цепи (R+БЭ) рnр-транзистора. При этом
uвых=uбn-uбэn+iR+uбэno, uбэn=uбэno,
т. е. нелинейные искажения повторителя компенсируются. Для наращивания усиления тока к эмиттерам транзисторов n, n0, можно подключить еще один повторитель на комплементарных транзисторах по схеме Дарлингтона и т.д.
Nonlinear distortions arising during transients in RC circuits located between cascades or in a feedback loop covering a multistage amplifier were discussed in the literature. Conclusions are drawn about the benefits of feedbacks "distributed over cascades," about the minimum of RC circuits in an amplifier. The listed requirements are satisfied by the parallel-symmetric transistor structure of Fig. 2, if a resistor R is introduced into the emitters of each pair of complementary transistors, and collector loads are constructed according to the formula Z к = NR + 2ND (Fig. 3). Coefficient 2 arises here due to the series connection of the two pn junctions of the BE cells of complementary transistors. In FIG. 3 conventionally shows one diode in the loads of cascades (instead of ZN units). The emitter structure follower (nth cascade of FIGS. 3, 2) is characterized in that an alternating voltage u n is applied to the load R through the transition of the BE of the npn transistor, and is removed from the circuit (R + BE) of the nnp transistor. Wherein
u O = u -u ben bn + iR + u beno, u = u ben beno,
i.e., the non-linear distortion of the repeater is compensated. To increase the current amplification to the emitters of n, n 0 transistors, you can connect another follower on complementary transistors according to Darlington's scheme, etc.

Индикация нелинейных искажений. При настройке High-end усилителей полезен метод сравнения форм входного и выходного сигналов в данное мгновение времени по схеме фиг.7. Здесь Г - генератор испытательного сигнала (линейно изменяющееся напряжение); У - исследуемый усилитель; А - аттенюатор (делитель напряжения); Ф - фазовращатель; ДО - двухканальный осциллограф; Y, Δy; X, Δx - результаты измерений. Измерения можно производить на средней частоте и частотах среза АЧХ, при любой амплитуде входного сигнала. Indication of nonlinear distortion. When setting up High-end amplifiers, a useful method for comparing the forms of the input and output signals at a given instant of time according to the scheme of Fig. 7. Here G is the test signal generator (ramp voltage); U - studied amplifier; A - attenuator (voltage divider); F - phase shifter; DO - two-channel oscilloscope; Y, Δy; X, Δx - measurement results. Measurements can be made at the mid-frequency and cut-off frequencies of the frequency response, at any amplitude of the input signal.

Изложенные особенности усилителя фиг.3 позволяют рекомендовать его для построения транзисторной High-end аппаратуры, не уступающей ламповой высококачественной аудио-аппаратуре, но и превосходящей ее по экономичности, технологичности, надежности, обладающей меньшими весом и объемом. The stated features of the amplifier of Fig. 3 allow us to recommend it for constructing a transistor High-end equipment that is not inferior to a tube high-quality audio equipment, but also superior to it in terms of economy, manufacturability, reliability, with less weight and volume.

Транзисторная High-end аппаратура (на основе фиг.3) может быть миниатюризирована с помощью диодных, транзисторных сборок или заказных интегральных микросхем на базовых матричных кристаллах, - см. книгу Цифровые интегральные микросхемы: Справочник /Мальцев П.П. и др. - М.: Радио и связь, 1994. - с.179. Микросхемы этого типа могут найти широкое применение в усилителях звуковых частот телевизоров, радиоприемников и т.д. Transistor High-end equipment (based on figure 3) can be miniaturized using diode, transistor assemblies or custom integrated circuits based on base matrix crystals - see the book Digital Integrated Circuits: Reference / Maltsev P.P. et al. - M.: Radio and Communications, 1994. - p. 179. Chips of this type can be widely used in sound amplifiers of televisions, radios, etc.

При сравнении технико-экономических показателей усилителя фиг.3 и прототипа (фиг.2) отметим, что расширена область применения прототипа, что возникает ситуация, когда прототип становится товаром массового спроса. When comparing the technical and economic indicators of the amplifier of Fig. 3 and the prototype (Fig. 2), we note that the scope of the prototype has been expanded, that a situation arises when the prototype becomes a consumer product.

Claims (1)

Многокаскадный транзисторный усилитель, каскады которого построены из рnр- и nрn-транзисторов, соединенных эмиттерами, база одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада, а базы всех других транзисторов соединены вместе, образуя общий управляющий электрод каскадов, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов, отличающийся тем, что коллекторные нагрузки транзисторов, базы которых образуют общий управляющий электрод каскадов, составлены из 2N штук последовательно соединенных полупроводниковых диодов и резистора величины NR, последовательно с эмиттерами транзисторов каждого каскада включены резисторы величины R, равной резистору эмиттерной нагрузки последнего каскада, где N= 1, 2, 3. . . - усиление напряжения каскада. A multistage transistor amplifier, the cascades of which are built of pnp and npn transistors connected by emitters, the base of one of the transistors of each subsequent stage, starting from the second, is connected to the load of the previous stage, and the bases of all other transistors are connected together, forming a common control electrode of the cascades, connected to the power source through one common cascade feedback element, characterized in that the collector loads of transistors, the bases of which form a common cascade control electrode, of 2N pieces of series-connected semiconductor diodes and a resistor of magnitude NR, resistors of magnitude R equal to the resistor of the emitter load of the last stage are included in series with the emitters of the transistors of each stage, where N = 1, 2, 3.. . - amplification of the cascade voltage.
RU2000113302A 2000-05-26 2000-05-26 Multistage transistor amplifier RU2183380C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000113302A RU2183380C2 (en) 2000-05-26 2000-05-26 Multistage transistor amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000113302A RU2183380C2 (en) 2000-05-26 2000-05-26 Multistage transistor amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000113302A RU2000113302A (en) 2002-04-10
RU2183380C2 true RU2183380C2 (en) 2002-06-10

Family

ID=20235237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000113302A RU2183380C2 (en) 2000-05-26 2000-05-26 Multistage transistor amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2183380C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2736323C1 (en) * 2017-04-28 2020-11-13 Бурместер Аудиозюстеме Гмбх Signal amplifier circuit, voltage converter and system
RU2781434C1 (en) * 2021-12-28 2022-10-12 Акционерное общество Центральное конструкторское бюро аппаратостроения Solid-state power amplifier

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГРЕБЕН А. Проектирование аналоговых интегральных схем. - М.: Энергия, 1976, с.80, рис.4-10. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2736323C1 (en) * 2017-04-28 2020-11-13 Бурместер Аудиозюстеме Гмбх Signal amplifier circuit, voltage converter and system
US11387787B2 (en) 2017-04-28 2022-07-12 Burmester Audiosysteme Gmbh Signal amplifier circuit, voltage converter and system
US11588446B2 (en) 2017-04-28 2023-02-21 Burmester Audiosysteme Gmbh Signal amplifier circuit, voltage converter and system
RU2781434C1 (en) * 2021-12-28 2022-10-12 Акционерное общество Центральное конструкторское бюро аппаратостроения Solid-state power amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US2789164A (en) Semi-conductor signal amplifier circuit
US3813607A (en) Current amplifier
US5471654A (en) Transmitting/receiving unit having automatic gain control system with temperature compensation
EP0058448A1 (en) Transconductance amplifier
JP2009273192A (en) High linearity digital variable gain amplifier
US3497824A (en) Differential amplifier
US4220875A (en) Electronic circuit having its impedance controlled by an external signal
US5256984A (en) Amplifier for controlling linear gain of wide band using external bias
US3304513A (en) Differential direct-current amplifier
FI60329B (en) AOTERKOPPLAD FOERSTAERKARE
US5936391A (en) Partially temperature compensated low noise voltage reference
US6437631B2 (en) Analog multiplying circuit and variable gain amplifying circuit
US4357578A (en) Complementary differential amplifier
JPH0766643A (en) Voltage - current converter
RU2183380C2 (en) Multistage transistor amplifier
JPS6337966B2 (en)
US4369410A (en) Monolithically integrable transistor amplifier having gain control means
US2844667A (en) Cascade transistor amplifiers
RU2416155C1 (en) Differential operating amplifier
KR20030034401A (en) Power amplifier
JPH04223602A (en) Amplifier circuit
US3487322A (en) High gain low voltage amplifier
US5047729A (en) Transconductance amplifier
RU2396698C1 (en) Differential amplifier
RU2439780C1 (en) Cascode differential amplifier