RU2294052C9 - Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier - Google Patents

Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2294052C9
RU2294052C9 RU2005122636/09A RU2005122636A RU2294052C9 RU 2294052 C9 RU2294052 C9 RU 2294052C9 RU 2005122636/09 A RU2005122636/09 A RU 2005122636/09A RU 2005122636 A RU2005122636 A RU 2005122636A RU 2294052 C9 RU2294052 C9 RU 2294052C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
channel
channels
amplifier
output signal
signal
Prior art date
Application number
RU2005122636/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2294052C1 (en
Inventor
Владимир Иванович Попов (RU)
Владимир Иванович Попов
Александр Геннадьевич Попов (RU)
Александр Геннадьевич Попов
Original Assignee
Владимир Иванович Попов
Александр Геннадьевич Попов
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 Владимир Иванович Попов, Александр Геннадьевич Попов filed Critical Владимир Иванович Попов
Priority to RU2005122636/09A priority Critical patent/RU2294052C9/en
Publication of RU2294052C1 publication Critical patent/RU2294052C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2294052C9 publication Critical patent/RU2294052C9/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: proposed method includes parallel amplification of signals in first and second amplifier channels followed by shaping output difference signal from amplified ones. Quiescent currents I01 of first-channel amplifying component are set to be higher than quiescent current I02 of second-channel amplifying component. In the process either first-channel input signal is attenuated by K1 times when using bipolar transistors, or second-channel signal is attenuated by K2 times when using tubes and field-effect transistors, or second-cannel output signal is attenuated by K3 times in latter of mentioned cases:
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
where n , m are numbers of parallel-connected amplifying components (or their pairs in case of push-pull operation) of first and second channels, respectively; α = 2 for field-effect transistor, α = 3/2 for tubes.
EFFECT: reduced nonlinear distortions due to correction of third harmonic and reduction of higher harmonics.
2 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, к усилителям электрических сигналов, и может быть использовано в усилителях звуковой частоты.The invention relates to radio engineering, to amplifiers of electrical signals, and can be used in amplifiers of audio frequency.

Известен способ снижения нелинейных искажений, широко используемый в усилительной технике, введением линейной отрицательной обратной связи [1, с.33].A known method of reducing non-linear distortions, widely used in amplification technique, the introduction of linear negative feedback [1, p. 33].

Способ повышает линейность усилителя. Однако, одновременно с этим, введение отрицательной обратной связи порождает взаимодействия продуктов нелинейности различных порядков и сигнала. Кроме того, известному способу присуще проявление так называемых динамических искажений.The method increases the linearity of the amplifier. However, at the same time, the introduction of negative feedback generates interactions of nonlinearity products of various orders and signal. In addition, the known method is inherent in the manifestation of the so-called dynamic distortion.

Известен способ компенсации нелинейных искажений в усилителе электрических сигналов путем параллельного усиления сигналов на двух усилительных элементах с идентичными проходными характеристиками и последующего вычитания усиленных сигналов на нагрузке усилителя. Токи покоя усилительных элементов устанавливают равными. А входной сигнал на них подают в противоположной полярности (в противофазе) [4, с.59].A known method of compensating for nonlinear distortion in an amplifier of electrical signals by parallel amplification of signals on two amplifier elements with identical pass-through characteristics and subsequent subtraction of amplified signals at the amplifier load. The quiescent currents of the amplifying elements are set equal. And the input signal to them is fed in the opposite polarity (in antiphase) [4, p. 59].

Способ широко используется в усилительной технике и реализован в двухтактных усилителях на разнообразных усилительных элементах: лампах, биполярных и полевых транзисторах. Способ позволяет компенсировать четные гармоники нелинейных искажений сигнала.The method is widely used in amplification technology and is implemented in push-pull amplifiers on a variety of amplifying elements: lamps, bipolar and field effect transistors. The method allows you to compensate for the even harmonics of the nonlinear distortion of the signal.

Недостатком аналога является невозможность компенсации нечетных гармоник нелинейных искажений сигнала. Вместе с тем известно, что во многих приложениях именно нечетные гармоники являются наиболее вредными, например в трактах усиления АМ-сигналов, звуковых усилителях и т.д.The disadvantage of the analogue is the inability to compensate for the odd harmonics of nonlinear distortion of the signal. However, it is known that in many applications it is the odd harmonics that are most harmful, for example, in amplification paths of AM signals, sound amplifiers, etc.

Известен способ компенсации нелинейных искажений в усилителях электрических сигналов путем параллельного усиления сигналов в двух каналах усиления (с совпадающими передаточными (амплитудными) характеристиками) и последующего формирования из усиленных в каналах сигналов разностного выходного сигнала усилителя. При этом входной сигнал одного из каналов ослабляют на n-децибел, выходной сигнал другого канала ослабляют на 3n-децибел, а разностный выходной сигнал формируют путем усиления в каналах синфазных сигналов и вычитания одного усиленного сигнала из другого [3].A known method of compensating for non-linear distortions in amplifiers of electrical signals by parallel amplification of signals in two amplification channels (with matching transfer (amplitude) characteristics) and subsequent formation of a differential output signal of the amplifier from the amplified channels of the signals. In this case, the input signal of one of the channels is attenuated by n-decibels, the output signal of the other channel is attenuated by 3n-decibels, and the difference output signal is formed by amplifying common-mode signals in the channels and subtracting one amplified signal from the other [3].

Способ позволяет компенсировать третью гармонику и снизить интермодуляционные искажения выходного сигнала.The method allows you to compensate for the third harmonic and reduce intermodulation distortion of the output signal.

Данный способ принят за прототип.This method is adopted as a prototype.

Изобретением решается задача расширения арсенала технических средств, направленных на повышение линейности трактов усиления за счет компенсации нечетных гармоник.The invention solves the problem of expanding the arsenal of technical means aimed at increasing the linearity of amplification paths by compensating for odd harmonics.

Для достижения этого технического результата способ компенсации нелинейных искажений в усилителе электрических сигналов включает параллельное усиление сигналов в первом и втором каналах усиления и последующее формирование из усиленных в каналах сигналов разностного выходного сигнала усилителя. Способ также предусматривает этап ослабления входного сигнала одного из каналов и этап ослабления выходного сигнала одного из каналов. В отличие от прототипа в способе токи покоя усилительных элементов первого канала устанавливаются больше токов покоя усилительных элементов второго канала. При этом ослабляют входной сигнал первого канала - в случае использования в каналах усилительных элементов с проходной характеристикой аппроксимируемой показательной функцией, или ослабляют входной сигнал второго канала - в случае использования усилительных элементов с проходной характеристикой аппроксимируемой степенной функцией, или ослабляют выходной сигнал второго канала - в последнем из упомянутых случаев.To achieve this technical result, a method for compensating non-linear distortions in an electric signal amplifier includes parallel amplification of signals in the first and second amplification channels and subsequent generation of a differential output signal of the amplifier from the signal amplified in the channels. The method also includes the step of attenuating the input signal of one of the channels and the step of attenuating the output signal of one of the channels. In contrast to the prototype, in the method, the quiescent currents of the amplifying elements of the first channel are set to more quiescent currents of the amplifying elements of the second channel. At the same time, the input signal of the first channel is weakened - in the case of using amplifying elements with a passage characteristic approximated by an exponential function, or the input signal of the second channel is weakened - if amplifiers with a passage characteristic of an approximated power function are used, or weakening the output signal of the second channel in the last from the mentioned cases.

Для упомянутых в способе случаев или входной сигнал первого канала ослабляют в K1 раз, или входной сигнал второго канала ослабляют в K2 раз, или выходной сигнал второго канала ослабляют в K3 раз:For the cases mentioned in the method, either the input signal of the first channel is attenuated by K 1 time, or the input signal of the second channel is attenuated by K 2 times, or the output signal of the second channel is attenuated by K 3 times:

Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010

где n, m - числа параллельно включенных усилительных элементов (или их пар при двухтактном усилении) соответственно первого и второго каналов;where n, m are the numbers of parallel-connected amplifying elements (or their pairs with push-pull amplification), respectively, of the first and second channels;

I01, I02 - токи покоя усилительных элементов соответственно первого и второго каналов;I 01 , I 02 - quiescent currents of amplifying elements of the first and second channels, respectively;

α - показатель степени степенной функции, аппроксимирующей проходную характеристику усилительного элемента.α is an exponent of the power function approximating the pass-through characteristic of the amplifying element.

(Приведенные соотношения позволяют достичь минимального уровня третьей гармоники в спектре выходного сигнала усилителя.)(The above relations allow us to achieve the minimum level of the third harmonic in the spectrum of the output signal of the amplifier.)

Разностный выходной сигнал усилителя формируется путем усиления в первом и втором каналах взаимно инвертированных сигналов и последующего суммирования усиленных сигналов.The differential output signal of the amplifier is formed by amplification in the first and second channels of mutually inverted signals and the subsequent summation of the amplified signals.

(Признак позволяет наиболее просто реализовать способ с бестрансформаторными двухтактными каскадами.)(The feature allows you to most easily implement the method with transformerless push-pull cascades.)

Реализация способа в усилителях с различными каскадами в параллельных каналах усиления проиллюстрирована на фиг.1-8.The implementation of the method in amplifiers with different stages in parallel amplification channels is illustrated in figures 1-8.

На фиг 1. приведена схема однотактного усилителя на биполярных транзисторах.In Fig 1. shows a diagram of a single-cycle amplifier on bipolar transistors.

На фиг.2 - схема однотактного усилителя на триодах.Figure 2 - diagram of a single-cycle amplifier on triodes.

На фиг.3 - схема усилителя с дифференциальными каскадами на биполярных транзисторах.Figure 3 is a diagram of an amplifier with differential stages on bipolar transistors.

На фиг.4 - схема усилителя с дифференциальными каскадами на полевых транзисторах.Figure 4 is a diagram of an amplifier with differential stages on field-effect transistors.

На фиг.5 - схема с двухтактными каскадами напряжения на комплементарных транзисторах.Figure 5 - circuit with push-pull cascades of voltage on complementary transistors.

На фиг.6 - схема двухтактного усилителя с комплементарными истоковыми повторителями и мостовым включением нагрузки.Figure 6 - diagram of a push-pull amplifier with complementary source repeaters and bridge switching of the load.

На фиг.7 - схема двухтактного трансформаторного усилителя на экранированных лампах.7 is a diagram of a push-pull transformer amplifier on shielded lamps.

На фиг.8 - схема параллельного включения нескольких усилительных элементов (на примере биполярных транзисторов).On Fig - diagram of the parallel connection of several amplifying elements (for example, bipolar transistors).

Проходные характеристики усилительного элемента, аппроксимируемые степенной функцией, имеют лампы и полевые транзисторы. Так проходные характеристики триода и пентода на «рабочих» участках подчиняются известному «закону степени 3/2» [5]. Проходная характеристика полевого транзистора имеет выраженную квадратичную зависимость (см. [1], с.75). Проходная характеристика биполярного транзистора хорошо аппроксимируется показательной функцией (см. [1], с.34).The pass-through characteristics of the amplifier element, approximated by a power-law function, have lamps and field-effect transistors. So the passage characteristics of the triode and pentode in the "working" areas obey the well-known "law of degree 3/2" [5]. The pass-through characteristic of the field-effect transistor has a pronounced quadratic dependence (see [1], p. 75). The pass-through characteristic of a bipolar transistor is well approximated by an exponential function (see [1], p. 34).

Таким образом, проходную характеристику усилительного элемента, условно приведенную к началу координат, можно представить в виде:Thus, the pass-through characteristic of the amplifying element, conditionally reduced to the origin, can be represented as:

Figure 00000011
Figure 00000011

илиor

Figure 00000012
Figure 00000012

где I - выходной ток усилительного элемента;where I is the output current of the amplifying element;

U - напряжение на входных электродах усилительного элемента;U is the voltage at the input electrodes of the amplifying element;

α - показатель степени;α is an exponent;

UT - тепловое напряжение;U T is the thermal voltage;

А и В - коэффициенты пропорциональности.A and B are proportionality coefficients.

Напряжение U=U0+u состоит из постоянной составляющей U0, которая служит для выбора тока покоя I0 (рабочей точки) и собственно переменного сигнала и (для гармонического сигнала u=V·sinωt).The voltage U = U 0 + u consists of a constant component U 0 , which serves to select the quiescent current I 0 (operating point) and the ac signal itself (and for the harmonic signal u = V · sinωt).

Разложив функцию (1) в ряд по степеням u для входных токов I1, I2 усилительных элементов первого и второго каналов, будем иметь:Having expanded the function (1) in a series in powers of u for the input currents I 1 , I 2 of the amplifying elements of the first and second channels, we will have:

Figure 00000013
Figure 00000014
Figure 00000013
Figure 00000014

где u1, u2 - входные сигналы соответственно первого и второго каналов;where u 1 , u 2 - input signals, respectively, of the first and second channels;

U01, U02 - напряжение смещения.U 01 , U 02 - bias voltage.

Если теперь в соответствии со способом положить u1=Ku2, K≥1 и вычесть один ток из другого, то в нагрузке будем иметь:If now, in accordance with the method, put u 1 = Ku 2 , K≥1 and subtract one current from another, then in the load we will have:

Figure 00000015
Figure 00000015

Очевидно, что нечетные гармоники порождаются членами ряда (3) с нечетными степенями. Поэтому, положив нулю коэффициенты при членах ряда со степенями 3, 5, 7 и т.д., найдем условия компенсации нечетных гармоник:Obviously, the odd harmonics are generated by members of the series (3) with odd powers. Therefore, setting the coefficients for the terms of the series with powers of 3, 5, 7, etc., to zero, we find the conditions for compensating for the odd harmonics:

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
и т.д.
Figure 00000018
etc.

Таким образом, условием компенсации третьей гармоники (точнее «кубической» нелинейности) в соответствии с заявленным способом будет:

Figure 00000019
или, учитывая, что
Figure 00000020
получаем
Figure 00000021
Thus, the condition for the compensation of the third harmonic (more precisely, the “cubic" nonlinearity) in accordance with the claimed method will be:
Figure 00000019
or, given that
Figure 00000020
we get
Figure 00000021

Например, для ламп (α=3/2)

Figure 00000022
For example, for lamps (α = 3/2)
Figure 00000022

где I01, I02 - токи покоя усилительных элементов (ламп).where I 01 , I 02 - quiescent currents of amplifying elements (lamps).

При этом снижается уровень остальных гармоник. Так для

Figure 00000023
K=2.This reduces the level of other harmonics. So for
Figure 00000023
K = 2.

Уровень 5-ой гармоники уменьшается в 16 раз, второй гармоники в 5 раз. В то время как уровень первой гармоники (сигнала) снижается только на 25%.The level of the 5th harmonic decreases by 16 times, the second harmonic by 5 times. While the level of the first harmonic (signal) is reduced only by 25%.

В варианте способа с биполярными транзисторами, после разложения в ряд показательной функции (2) по степеням u для разности токов будем иметь:In the variant of the method with bipolar transistors, after expanding the exponential function (2) in powers of u into a series, for the current difference we will have:

Figure 00000024
Figure 00000024

и для u2=Ku1, K≥1 получаем следующие условия компенсации нечетных гармоник:and for u 2 = Ku 1 , K≥1 we obtain the following conditions for the compensation of odd harmonics:

Figure 00000025
Figure 00000025

Figure 00000026
Figure 00000026

Таким образом, условие компенсации третьей гармоники («кубической» нелинейности) в этом варианте способа будет:Thus, the condition for the compensation of the third harmonic ("cubic" nonlinearity) in this variant of the method will be:

Figure 00000027
Figure 00000027

где I01, I02 - токи покоя транзисторов, соответственно первого и второго каналов.where I 01 , I 02 - quiescent currents of transistors, respectively, of the first and second channels.

При выборе того же соотношения токов покоя, что и в выше рассмотренном примере способа:

Figure 00000028
K=2 уровень 5-й гармоники уменьшается в 4 раза, остальных гармоник не менее чем в 3 раза.When choosing the same ratio of quiescent currents as in the above example of the method:
Figure 00000028
K = 2 the level of the 5th harmonic decreases by 4 times, of the other harmonics by at least 3 times.

В случаях использования в качестве усилительных элементов ламп или полевых транзисторов, компенсация нечетных гармоник достигается также ослаблением выходного сигнала второго канала, без ослабления входных сигналов каналов. В самом деле, для разности усиленных сигналов будем иметь:In cases of using lamps or field effect transistors as amplifying elements, the compensation of odd harmonics is also achieved by attenuating the output signal of the second channel, without attenuating the input signals of the channels. In fact, for the difference between the amplified signals, we will have:

Figure 00000029
и условием компенсации третьей гармоники будет:
Figure 00000029
and the condition for compensation of the third harmonic will be:

Figure 00000030
Figure 00000030

Те же условия (4), (6), (7) компенсации нечетных гармоник получаем при формировании разностного выходного сигнала путем усиления в первом и втором каналах взаимно инвертированных сигналов и последующего суммирования усиленных сигналов.We obtain the same conditions (4), (6), (7) for the compensation of odd harmonics when generating a differential output signal by amplifying mutually inverted signals in the first and second channels and then summing the amplified signals.

В самом деле, если u1=-Ku2, то для суммы токов первого и второго каналов будем иметь:In fact, if u 1 = -Ku 2 , then for the sum of the currents of the first and second channels we will have:

Figure 00000031
Figure 00000031

и получаем то же выражение (4) для коэффициента ослабления

Figure 00000032
and we get the same expression (4) for the attenuation coefficient
Figure 00000032

- в случае ламп и полевых транзисторов; или (6) - в случае биполярных транзисторов. Рассмотренный способ формирования разностного сигнала может быть с успехом реализован с двухтактными каскадами в каналах и комплементарными транзисторами в плечах двухтактных каскадов. Несмотря на увеличенный уровень четных гармоник, характерный для данного способа формирования, в спектре выходного сигнала не следует ожидать значительного их роста, поскольку они будут компенсированы двухтактным усилением.- in the case of lamps and field effect transistors; or (6) in the case of bipolar transistors. The considered method for generating a difference signal can be successfully implemented with push-pull cascades in channels and complementary transistors in the arms of push-pull cascades. Despite the increased level of even harmonics characteristic of this method of formation, one should not expect significant growth in the spectrum of the output signal, since they will be compensated by push-pull amplification.

Преобразовав в (5) выражение для первой гармоники (при условии компенсации третьей гармоники):Having transformed into (5) the expression for the first harmonic (provided that the third harmonic is compensated):

Figure 00000033
Figure 00000033

находим соотношение токов, максимизирующее первую гармонику (или, что то же, коэффициент передачи),:we find the ratio of currents that maximizes the first harmonic (or, equivalently, the transmission coefficient):

Figure 00000034
Figure 00000034

Figure 00000035
Figure 00000035

Обобщая выражения (4), (6), (7) и (8) на случай параллельных включений усилительных элементов из n-элементов (или их пар для двухтактного усиления) в первом канале и m-элементов во втором канале усиления, для коэффициентов ослабления имеют место следующие выражения:Summarizing expressions (4), (6), (7) and (8) for the case of parallel switching on of amplifying elements from n-elements (or their pairs for push-pull amplification) in the first channel and m-elements in the second amplification channel, for attenuation coefficients the following expressions take place:

Figure 00000036
Figure 00000036

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
Figure 00000038

А соотношение (8) принимает вид:And relation (8) takes the form:

Figure 00000039
Figure 00000039

Выражения (9), (10), (11) и (12) получены из разложения в ряд разностного выходного сигнала I=nI1-mI2 для всех рассмотренных случаев, аналогично тому, как это было сделано выше для одиночных усилительных элементов в каналах (n=m=1).Expressions (9), (10), (11) and (12) are obtained from the series expansion of the difference output signal I = nI 1 -mI 2 for all cases considered, similar to the way it was done above for single amplifier elements in the channels (n = m = 1).

Параллельное включение усилительных элементов позволяет получить коэффициенты ослабления K1, K2, K3 равными единице, т.е. обойтись в способе без этапов ослабления. В самом деле, положив в (9), (10), (11) K1=1, K2=1 и K3=1, можно получить требуемые соотношения для токов покоя усилительных элементов в первом и втором каналах с параллельным включением элементов (m≠n).The parallel inclusion of amplifying elements allows to obtain attenuation coefficients K 1 , K 2 , K 3 equal to unity, i.e. dispense in the method without the stages of attenuation. In fact, setting K 1 = 1, K 2 = 1 and K 3 = 1 in (9), (10), (11), we can obtain the required ratios for the quiescent currents of the amplifying elements in the first and second channels with parallel switching on of the elements (m ≠ n).

На фиг.1 и фиг.2 представлены схемы, реализующие способ в однотактных усилителях, соответственно для биполярных транзисторов и ламп.Figure 1 and figure 2 presents the circuit that implements the method in single-ended amplifiers, respectively, for bipolar transistors and lamps.

На фиг.1 резисторы 6 и 7 смещения задают токи покоя транзисторов 4 и 5 (I01>I02), а делитель напряжения на резисторах 3 и 1, 2 ослабляет входной сигнал первого канала в K1 раз:In Figure 1 the resistors 6 and 7, the offset is set quiescent currents of transistors 4 and 5 (I 01> I 02), and voltage divider resistors 3 and 1, 2 attenuates the input signal to the first channel K 1 times:

Figure 00000040
Figure 00000040

Аналогично в ламповом варианте (фиг.2): резисторы 14 и 15 задают токи покоя ламп 16 и 17 (I01>I02), а делитель напряжения на резисторах 18 и 19 ослабляет входной сигнал второго канала с лампой 17 в K2 раз:Similarly, in the tube version (figure 2): resistors 14 and 15 set the quiescent currents of the lamps 16 and 17 (I 01 > I 02 ), and the voltage divider on the resistors 18 and 19 attenuates the input signal of the second channel with lamp 17 by a factor of 2 :

Figure 00000041
Figure 00000041

Входные сигналы каналов синфазные (полюсы 12 и 13 в схемах Фиг.1, 2 можно объединить). Разностный выходной сигнал в усилителе фиг.1 формируется с помощью отражателя тока 10 (транзисторы 8, 9) путем вычитания выходного тока одного канала из выходного тока другого канала на резисторе 11 нагрузки. В усилителе фиг.2 разностный выходной сигнал формируется аналогично, только уже с использованием отражателей тока 20, 21 и 22 (см. направление выходных токов I1, I2 каналов в схеме). Кроме участия в формировании разностного сигнала отражатель тока выполняет функции буфера между лампой и нагрузкой 23. В результате проходная динамическая характеристика триода практически совпадает с его проходной статической характеристикой в достаточно широкой полосе частот (по крайней мере, в полосе звуковых частот) и хорошо аппроксимируется для большинства ламп степенной функцией с показателем степени α≈3/2.The input signals of the in-phase channels (poles 12 and 13 in the circuits of Fig.1, 2 can be combined). The differential output signal in the amplifier of FIG. 1 is generated using a current reflector 10 (transistors 8, 9) by subtracting the output current of one channel from the output current of another channel on the load resistor 11. In the amplifier of figure 2, the differential output signal is generated in a similar way, only using current reflectors 20, 21 and 22 (see the direction of the output currents I 1 , I 2 channels in the circuit). In addition to participating in the formation of the difference signal, the current reflector serves as a buffer between the lamp and the load 23. As a result, the through-flow dynamic characteristic of the triode practically coincides with its through-pass static characteristic in a fairly wide frequency band (at least in the audio frequency band) and is well approximated for most lamp power function with an exponent α≈3 / 2.

В усилителе фиг.3 параллельные каналы усиления выполнены на дифференциальных каскадах. Токи покоя I01 транзисторов 24, 25 первого канала задаются источником тока 26. Токи покоя I02 транзисторов 28, 29 второго канала - источником тока 27 (I01>I02). Аттенюатор 30 (делитель напряжения на резисторах 31, 32) ослабляет входной сигнал первого канала усиления. Коллекторы транзисторов 24, 25 и 28, 29 соединены так, что разностный выходной сигнал из усиленных в каналах сигналов формируется в нагрузках 33 и 34 из соответствующих коллекторных токов каскадов.In the amplifier of Fig. 3, parallel amplification channels are made on differential stages. The quiescent currents I 01 of the transistors 24, 25 of the first channel are set by the current source 26. The quiescent currents I 02 of the transistors 28, 29 of the second channel are set by the current source 27 (I 01 > I 02 ). Attenuator 30 (voltage divider across resistors 31, 32) attenuates the input signal of the first amplification channel. The collectors of transistors 24, 25 and 28, 29 are connected so that the differential output signal from the signals amplified in the channels is formed in loads 33 and 34 from the corresponding collector currents of the cascades.

Поскольку достижение заявленного технического результата от реализации способа в усилителе с дифференциальным включением усилительных элементов далеко не очевиден, ниже покажем, что оно имеет место. И более того, покажем, что условия компенсации третьей гармоники в точности совпадают с условиями (6), (9).Since the achievement of the claimed technical result from the implementation of the method in an amplifier with differential switching on of amplifying elements is far from obvious, we will show below that it takes place. And moreover, we show that the conditions for the compensation of the third harmonic exactly coincide with the conditions (6), (9).

Известно, что передаточные характеристики дифференциального каскада на биполярных транзисторах задаются выражениями [2, с.292]:It is known that the transfer characteristics of a differential cascade on bipolar transistors are given by the expressions [2, p. 292]:

Figure 00000042
Figure 00000042

Figure 00000043
Figure 00000043

где IK1, IK2 - коллекторные токи транзисторов дифференциального каскада,where I K1 , I K2 are the collector currents of the transistors of the differential stage,

U - входное дифференциальное напряжение,U is the input differential voltage

I0 - ток покоя транзисторов.I 0 is the quiescent current of transistors.

Суммируя коллекторные токи в нагрузках 33 и 34, получаем выходной сигнал усилителя в виде разности усиленных сигналов в первом и втором каналах:Summing the collector currents in the loads 33 and 34, we obtain the output signal of the amplifier in the form of the difference of the amplified signals in the first and second channels:

I33=IK24+IK28 или I34=IK25+IK29.I 33 = I K24 + I K28 or I 34 = I K25 + I K29 .

Figure 00000044
.
Figure 00000044
.

Разложим выражение для I33 в ряд по степеням U:We expand the expression for I 33 in a series in powers of U:

Figure 00000045
Figure 00000045

Положив нулю коэффициент при третьей степени U3, получаем условие компенсации третьей гармоники:Putting the coefficient at the third power of U 3 to zero, we obtain the third harmonic compensation condition:

Figure 00000046
Figure 00000046

- совпадающее с выражением (6).- coinciding with expression (6).

Т.о.

Figure 00000047
T.O.
Figure 00000047

В усилителе фиг.4 дифференциальные каскады выполнены на полевых транзисторах 35, 36 в первом канале и 37, 38 во втором канале усиления. Идеальный полевой транзистор имеет квадратичную проходную характеристику (α=2). Казалось бы, это гарантирует отсутствие в спектре выходного сигнала гармоник выше второй. Однако выходные сигналы дифференциального каскада и каскадов с резистором в цепи истока (например, истоковых повторителей) содержат третью и высшие гармоники. Т.е. передаточные характеристики каскадов усиления с полевыми транзисторами имеют нелинейности третьего и высшего порядка, которые также могут компенсироваться изобретенным способом.In the amplifier of FIG. 4, differential stages are performed on field-effect transistors 35, 36 in the first channel and 37, 38 in the second amplification channel. An ideal field effect transistor has a quadratic pass-through characteristic (α = 2). It would seem that this guarantees the absence in the spectrum of the output signal of harmonics above the second. However, the output signals of the differential cascade and cascades with a resistor in the source circuit (for example, source repeaters) contain the third and highest harmonics. Those. The transfer characteristics of the amplification stages with field-effect transistors have third and higher order nonlinearities, which can also be compensated by the invented method.

В самом деле, из известного [6, с.259] уравнения, связывающего входное дифференциальное напряжение U и разность ΔI токов стоков:In fact, from the well-known [6, p. 259] equation relating the input differential voltage U and the difference ΔI of the drain currents:

Figure 00000048
Figure 00000048

после несложных преобразований получаем уравнение передаточной характеристики дифференциального каскада:after simple transformations, we obtain the equation of the transfer characteristic of the differential cascade:

Figure 00000049
Figure 00000049

где I0 - ток покоя (суммарный) транзисторов,where I 0 is the quiescent current (total) of the transistors,

IDSS - ток насыщения (короткого замыкания),I DSS - saturation current (short circuit),

Up - напряжение отсечки.U p is the cutoff voltage.

Разложим выражение (13) в ряд по степеням U:We expand expression (13) in a series in powers of U:

Figure 00000050
Figure 00000050

Согласно предложенному способу, положив в (14) для первого канала усиления усилителя (фиг.4) U=U1, I0=2I01; для второго канала U=U2=U1/K, I0=2I02; I01>I02, получаем уравнение передаточной характеристики усилителя фиг.4, как:According to the proposed method, setting in (14) for the first amplifier amplification channel (Fig. 4) U = U 1 , I 0 = 2I 01 ; for the second channel, U = U 2 = U 1 / K, I 0 = 2I 02 ; I 01> I 02, we obtain the equation of the transfer characteristic of the amplifier 4 as:

Figure 00000051
Figure 00000051

здесь ΔI1=IC35-IC36, ΔI2=IC38-IC37.here ΔI 1 = I C35 -I C36 , ΔI 2 = I C38 -I C37 .

Приравняв нулю коэффициент при U3,находим условия компенсации третьей гармоники в выходном сигнале:Equating the coefficient at U 3 to zero, we find the conditions for the compensation of the third harmonic in the output signal:

Figure 00000052
Figure 00000052

Это же выражение (16) получаем формальной подстановкой α=2 в формулу (4).We obtain the same expression (16) by formal substitution of α = 2 in formula (4).

Т.о. коэффициент ослабления аттенюатора 39 во втором канале

Figure 00000053
T.O. attenuator attenuation coefficient 39 in the second channel
Figure 00000053

В усилителе фиг.5 первый канал усилителя содержит двухтактный каскад усиления напряжения на комплементарных транзисторах 42, 44. Делители напряжения 43 на резисторах 47, 48 ослабляют входной сигнал первого канала в

Figure 00000054
раз. Второй канал усиления содержит двухтактный каскад на комплементарных транзисторах 45, 46. Источники 49 и 50 смещения задают токи покоя I01, I02 каскадов (I01>I02) и режимы работы каскадов в классах А или АВ. Входные сигналы усилителя парафазные: Uвх1=-Uвх2. Первый и второй каналы усиливают взаимно инвертированные сигналы, а выходной сигнал усилителя формируется суммированием выходных сигналов каскада на нагрузке 51.In the amplifier of FIG. 5, the first amplifier channel contains a push-pull cascade of voltage amplification on complementary transistors 42, 44. Voltage dividers 43 on resistors 47, 48 attenuate the input signal of the first channel to
Figure 00000054
time. The second amplification channel contains a push-pull cascade on complementary transistors 45, 46. The bias sources 49 and 50 specify the quiescent currents I 01 , I 02 of the cascades (I 01 > I 02 ) and the operation modes of the cascades in classes A or AB. The input signals of the amplifier are paraphase: U in1 = -U in2 . The first and second channels amplify mutually inverted signals, and the output signal of the amplifier is formed by summing the output signals of the cascade at the load 51.

Аналогично рассмотренному в усилителе фиг.5 способ реализуется и в усилителях с комплементарными двухтактными эмиттерными (истоковыми) повторителями.Similarly to that considered in the amplifier of Fig. 5, the method is also implemented in amplifiers with complementary push-pull emitter (source) repeaters.

Еще один возможный вариант усилителя с комплементарными повторителями показан на фиг.6. Здесь нагрузка 52 включена по мостовой схеме между истоковыми повторителями на транзисторах 54, 55 и 56, 57 первого и второго каналов. Выходной сигнал усилителя формируется как разность выходных сигналов каналов. Входные сигналы усилителя синфазные: Uвх1=Uвх2.Another possible variant of the amplifier with complementary repeaters shown in Fig.6. Here, the load 52 is connected in a bridge circuit between the source followers on transistors 54, 55 and 56, 57 of the first and second channels. The output signal of the amplifier is formed as the difference between the output signals of the channels. The input signals of the amplifier are in-phase: U in1 = U in2 .

Коэффициент ослабления аттенюатора 53:

Figure 00000055
Attenuator Attenuation Ratio 53:
Figure 00000055

Источники 61 и 62 напряжений смещения U01 и U02 задают токи покоя I01 и I02 транзисторов 54, 55 и 56, 57 (I01>I02).Sources 61 and 62 of bias voltages U 01 and U 02 specify the quiescent currents I 01 and I 02 of transistors 54, 55 and 56, 57 (I 01 > I 02 ).

Наконец, на фиг.7 показан вариант двухтактного каскада усиления мощности, плечи которого линеаризованы по заявляемому способу.Finally, FIG. 7 shows a variant of a push-pull power amplification stage, the arms of which are linearized by the claimed method.

Здесь лампы 63 и 64 образуют одно плечо, а лампы 65 и 66 - другое плечо усилителя. Катодные резисторы смещения 67 и 68, 69 и 70 задают токи покоя I01 и I02 ламп 63, 65 и 64, 66 соответственно, а делитель напряжения на резисторах 71 и 72 ослабляет сигнал, поступающий на лампы 64 и 66 в К2 раз, где

Figure 00000056
Here, lamps 63 and 64 form one arm, and lamps 65 and 66 form the other arm of the amplifier. The cathode bias resistors 67 and 68, 69 and 70 specify the quiescent currents I 01 and I 02 of the lamps 63, 65 and 64, 66, respectively, and the voltage divider on the resistors 71 and 72 attenuates the signal supplied to the lamps 64 and 66 by a factor of 2 , Where
Figure 00000056

В приведенных усилителях фиг.1-7 вместо одного усилительного элемента в каскаде (или пары элементов в двухтактном каскаде) может быть использовано параллельное включение нескольких усилительных элементов. Например так, как это показано на фиг.8 для биполярных транзисторов 73, 74, 75.In the amplifiers shown in FIGS. 1-7, instead of one amplifying element in a cascade (or a pair of elements in a push-pull cascade), parallel connection of several amplifying elements can be used. For example, as shown in FIG. 8 for bipolar transistors 73, 74, 75.

Вариант способа с ослаблением выходного сигнала второго канала усиления проще всего реализуется в усилителях с выходным трансформатором (схема не приведена). В зависимости от принятого способа формирования разностного выходного сигнала трансформатор либо вычитает, либо суммирует сигналы каналов на нагрузке, подключенной к вторичной обмотке трансформатора. Ослабление выходного сигнала второго канала достигается соответствующим выбором коэффициента трансформации n2 во втором канале по отношению к коэффициенту трансформации n1 в первом канале.A variant of the method with attenuation of the output signal of the second amplification channel is most easily implemented in amplifiers with an output transformer (diagram not shown). Depending on the adopted method of generating a differential output signal, the transformer either subtracts or sums the channel signals at the load connected to the secondary winding of the transformer. The attenuation of the output signal of the second channel is achieved by the appropriate choice of the transformation coefficient n 2 in the second channel with respect to the transformation coefficient n 1 in the first channel.

Для компенсации третьей гармоники: n1:n2=w1:w2≈К3:1,To compensate for the third harmonic: n 1 : n 2 = w 1 : w 2 ≈ K 3 : 1,

где w1, w2 - числа витков первичной обмотки, соответственно, в первом и втором каналах;

Figure 00000057
where w 1 , w 2 - the number of turns of the primary winding, respectively, in the first and second channels;
Figure 00000057

В многокаскадном усилителе (схема не приведена) линеаризация тракта усиления достигается выполнением ступеней усиления по двухканальной параллельной схеме усиления и реализации в каждой ступени заявленного способа компенсации нелинейных искажений.In a multi-stage amplifier (the diagram is not shown), the linearization of the amplification path is achieved by performing the amplification stages using a two-channel parallel amplification circuit and implementing the claimed method for compensating non-linear distortions in each stage.

Источники информацииInformation sources

1. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - М.: Мир, 1991 г.;1. Shkritek P. Reference manual for sound circuitry. - M .: Mir, 1991;

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.- М.: Высшая школа, 1991 г.2. Gusev V.G., Gusev Yu.M. Electronics.- M.: Higher School, 1991.

3. Заявка ФРГ №2718172, H 03 F 1/32.3. The application of Germany No. 2718172, H 03 F 1/32.

4. Войшвилло Г.В. Усилители низкой частоты на электронных лампах.- М.: Связь, 1963 г.4. Voishvillo G.V. Amplifiers of low frequency on electronic tubes. - M.: Communication, 1963.

5. Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы.- М.: Связь, 1956 г.5. Vlasov V.F. Electronic and ionic devices.- M .: Communication, 1956.

6. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: перевод с английского,- М.: Мир, 1988 г.6. Soklof S. Analog Integrated Circuits: Translation from English, - M.: Mir, 1988.

Claims (3)

1. Способ компенсации нелинейных искажений в усилителе электрических сигналов путем параллельного усиления сигналов в первом и втором каналах усиления и последующего формирования из усиленных в каналах сигналов разностного выходного сигнала усилителя, способ также предусматривает этап ослабления входного сигнала одного из каналов и этап ослабления выходного сигнала одного из каналов, отличающийся тем, что токи покоя усилительных элементов первого канала устанавливают больше токов покоя усилительных элементов второго канала, при этом или ослабляют входной сигнал первого канала - в случае использования в каналах усилительных элементов с проходной характеристикой, аппроксимируемой показательной функцией, или ослабляют входной сигнал второго канала - в случае использования усилительных элементов с проходной характеристикой, аппроксимируемой степенной функцией, или ослабляют выходной сигнал второго канала - в последнем из упомянутых случаев.1. A method of compensating for nonlinear distortions in an amplifier of electrical signals by parallel amplification of signals in the first and second amplification channels and subsequent formation of a differential output signal of the amplifier from the amplified signal channels, the method also includes the step of attenuating the input signal of one of the channels and the step of attenuating the output signal of one of channels, characterized in that the quiescent currents of the amplifying elements of the first channel set more quiescent currents of the amplifying elements of the second channel, at m or weaken the input signal of the first channel - in the case of using amplifying elements with a pass-through characteristic approximated by an exponential function in the channels, or weaken the input signal of the second channel - in the case of using amplifying elements with a pass-through approximating an exponential function, or weaken the output signal of the second channel - in the last of the cases mentioned. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для упомянутых в способе случаев или входной сигнал первого канала ослабляют в K1 раз, или входной сигнал второго канала ослабляют в K2 раз, или выходной сигнал второго канала ослабляют в K3 раз:2. The method according to claim 1, characterized in that for the cases mentioned in the method, either the input signal of the first channel is attenuated by K 1 time, or the input signal of the second channel is attenuated by K 2 times, or the output signal of the second channel is attenuated by K 3 times:
Figure 00000058
Figure 00000059
Figure 00000060
Figure 00000058
Figure 00000059
Figure 00000060
где n, m - числа параллельно включенных усилительных элементов или их пар при двухтактном усилении соответственно первого и второго каналов;where n, m are the numbers of parallel-connected amplifying elements or their pairs with push-pull amplification of the first and second channels, respectively; I01, I02 - токи покоя усилительных элементов соответственно первого и второго каналов;I 01 , I 02 - quiescent currents of amplifying elements of the first and second channels, respectively; α - показатель степени степенной функции, аппроксимирующей проходную характеристику усилительного элемента.α is an exponent of the power function approximating the pass-through characteristic of the amplifying element.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что разностный выходной сигнал усилителя формируют путем усиления в первом и втором каналах взаимно инвертированных сигналов и последующего суммирования усиленных сигналов.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the differential output signal of the amplifier is formed by amplifying mutually inverted signals in the first and second channels and then adding the amplified signals.
RU2005122636/09A 2005-07-19 2005-07-19 Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier RU2294052C9 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005122636/09A RU2294052C9 (en) 2005-07-19 2005-07-19 Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005122636/09A RU2294052C9 (en) 2005-07-19 2005-07-19 Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2294052C1 RU2294052C1 (en) 2007-02-20
RU2294052C9 true RU2294052C9 (en) 2007-06-20

Family

ID=37863548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005122636/09A RU2294052C9 (en) 2005-07-19 2005-07-19 Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2294052C9 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647647C2 (en) * 2016-02-26 2018-03-16 Андрей Анатольевич Савченко Ultralinear push-pull lamp cascade with control on second net and method of its adjustment
RU2694011C1 (en) * 2015-11-09 2019-07-08 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Amplifier circuit for compensation of output signal from circuit

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2694011C1 (en) * 2015-11-09 2019-07-08 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Amplifier circuit for compensation of output signal from circuit
US10469034B2 (en) 2015-11-09 2019-11-05 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Amplifier circuit for compensating an output signal from a circuit
RU2647647C2 (en) * 2016-02-26 2018-03-16 Андрей Анатольевич Савченко Ultralinear push-pull lamp cascade with control on second net and method of its adjustment

Also Published As

Publication number Publication date
RU2294052C1 (en) 2007-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6566961B2 (en) Wide-band single-ended to differential converter in CMOS technology
US9438186B2 (en) Power amplifier with envelope injection
KR100631973B1 (en) Variable gain broadband amplifier
KR100427878B1 (en) Amplifier circuit
KR19990085977A (en) Small signal linearizer
US8289077B2 (en) Signal processor comprising an amplifier
KR100955822B1 (en) Highly Linear Differential Amplifying Circuit
Yan et al. A negative conductance voltage gain enhancement technique for low voltage high speed CMOS op amp design
US8686793B2 (en) Amplifier device with reiterable error correction scheme with balanced negative feedback
CN114710124A (en) Rail-to-rail input and output operational transconductance amplifier based on low ripple charge pump
US20100013562A1 (en) Circuit with single-ended input and differential output
US20050128000A1 (en) Ultra fast, low noise voltage feedback operational amplifier with dynamic biasing
EP3979494A1 (en) Single-ended differential transimpedance amplifier
RU2294052C9 (en) Method for correcting nonlinear distortions in electric signal amplifier
GB2434047A (en) A balanced audio valve amplifier with multiple feedback loops
CA2467184A1 (en) Im3 cancellation using cmos elements
US4359696A (en) Amplifiers
KR100518475B1 (en) Circuit arrangement including a differential amplifier stage
JP2696986B2 (en) Low frequency amplifier
JP2005523632A (en) Electronic amplification circuit
WO2015117950A1 (en) Ac floating voltage source for push-pull amplifier stage
US9985589B2 (en) System and method for improving total harmonic distortion of an amplifier
EP3719993B1 (en) A radio frequency power amplifier system and a method of linearizing an output signal thereof
JPH046129B2 (en)
US6940350B2 (en) Amplifier and method for canceling nonlinearity in amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
TH4A Reissue of patent specification
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110720