RU75114U1

RU75114U1 - RESONANT AMPLIFIER

Info

Publication number: RU75114U1
Application number: RU2008110140/22U
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Костерин (RU); Валерий Николаевич Костерин; Владимир Павлович Хилов (RU); Владимир Павлович Хилов
Original assignee: Владимир Павлович Хилов
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2008-07-20

Abstract

1. Резонансный усилитель, содержащий входной усилительный каскад на транзисторе, база которого подключена к точке подачи входного сигнала, а эмиттер подключен к общей шине, колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью, первые выводы которых соединены с коллектором транзистора, отличающийся тем, что в него введены согласующий неинвертирующий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, вход которого соединен с первыми выводами индуктивности и емкости колебательного контура, а выход является выходом резонансного усилителя, неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы, подключенные выходом соответственно ко вторым выходам индуктивности и емкости, а входом к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя.2. Резонансный усилитель по п.1, отличающийся тем, что емкость колебательного контура выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя через дополнительно введенный резистивный делитель.1. A resonant amplifier containing an input amplifier stage on a transistor, the base of which is connected to the input signal input point, and the emitter is connected to a common bus, an oscillatory circuit formed by inductance and capacitance, the first conclusions of which are connected to the collector of the transistor, characterized in that a matching non-inverting operational amplifier with a unity gain is introduced, the input of which is connected to the first conclusions of the inductance and capacitance of the oscillatory circuit, and the output is the output of the resonance nsnogo amplifier non-inverting operational amplifier with gain of less than unity and an inverting operational amplifier with gain greater than unity, the output connected respectively to the second output inductance and capacitance, and the input to the output of the matching noninverting operational usilitelya.2. The resonant amplifier according to claim 1, characterized in that the capacitance of the oscillatory circuit is made in the form of two capacitors connected in series, the common connection point of which is connected to the output of a matching non-inverting operational amplifier through an additionally introduced resistive divider.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к резонансным усилителям, и может быть использована в качестве избирательного усилителя сигналов в селективных измерениях (низкочастотные измерительные приемники, микровольтметры и т.д.).The utility model relates to radio engineering, namely to resonant amplifiers, and can be used as a selective signal amplifier in selective measurements (low-frequency measuring receivers, microvoltmeters, etc.).

Избирательные усилители с нагрузкой в виде резонансного LC-контура используют в диапазоне радиочастот для выделения узкополосного сигнала из сложного по спектральному составу входного колебания.Selective amplifiers with a load in the form of a resonant LC circuit are used in the radio frequency range to isolate a narrow-band signal from a complex input spectral composition.

Известен резонансный усилитель (ав.св. №307736, опубл. 27.06.2000 г.), колебательный контур которого образован внутренней индуктивностью основного транзистора и конденсатором, включенным в цепь эмиттера этого же транзистора. Для повышения добротности и коэффициента усиления резонансного усилителя база транзистора подключена к общей шине через конденсатор и переход эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, база которого соединена с источником входного сигнала и через резистор с эмиттером основного транзистора.Known resonant amplifier (ed. St. No. 307736, publ. 06/27/2000), the oscillatory circuit of which is formed by the internal inductance of the main transistor and a capacitor included in the emitter circuit of the same transistor. To increase the quality factor and gain of the resonant amplifier, the base of the transistor is connected to the common bus through a capacitor and the emitter-collector junction of the additional transistor, the base of which is connected to the input signal source and through a resistor to the emitter of the main transistor.

Известен усилитель (Горошков Б.И. «Радиоэлектронные устройства», справочник, Москва «Радио и связь», 1984, с.148-150, рис.4.94), который принят в качестве ближайшего аналога предлагаемого резонансного усилителя, который включает в себя входной транзисторный каскад The known amplifier (Goroshkov B. I. "Radio electronic devices", reference book, Moscow "Radio and communications", 1984, p.148-150, Fig. 4.94), which is adopted as the closest analogue of the proposed resonant amplifier, which includes an input transistor cascade

усиления, базовая цепь которого связана RC-звеном со входом устройства, а нагрузка по коллекторной цепи включает в себя LC-контур.amplification, the base circuit of which is connected by an RC link to the input of the device, and the load on the collector circuit includes an LC circuit.

К резонансным усилителям кроме обеспечения основных электрических характеристик (резонансный коэффициент усиления, избирательность при требуемой полосе пропускания, коэффициент шума, нелинейные искажения, динамический диапазон и т.п.) предъявляются требования иметь механическую прочность, потреблять малую мощность от источника питания и иметь небольшие габариты, массу и стоимость. Но при выполнении резонансного усилителя для работы в диапазоне достаточно низких частот (0.1 Гц-10 кГц) увеличиваются необходимые физические значения индуктивности и емкости колебательного контура, что создает определенные трудности в реализации громоздких катушек индуктивности (которые далеки от идеала, поскольку ведут к «потерям», т.е. имеют значительное сопротивление, паразитную емкость обмотки, чувствительность к магнитным помехам) и больших величин емкостей (исключающих возможность реализации точностных параметров), усложняя конструкцию усилителя и снижая его надежность, при этом увеличивая его габариты, массу, стоимость.In addition to providing basic electrical characteristics to resonant amplifiers (resonant gain, selectivity at the required passband, noise figure, nonlinear distortion, dynamic range, etc.), requirements are made for mechanical strength, low power consumption from the power source and small dimensions, mass and cost. But when performing a resonant amplifier for operation in the range of sufficiently low frequencies (0.1 Hz-10 kHz), the necessary physical values of the inductance and capacitance of the oscillatory circuit increase, which creates certain difficulties in the implementation of bulky inductors (which are far from ideal, since they lead to "losses" , i.e., they have significant resistance, stray capacitance of the winding, sensitivity to magnetic interference) and large capacitance values (excluding the possibility of implementing precision parameters), complicating the the structure of the amplifier and reducing its reliability, while increasing its dimensions, weight, cost.

Технической задачей, решаемой полезной моделью, является снижение физических величин индуктивности и емкости колебательного контура резонансного усилителя низких частот, обеспечивая при этом все необходимые его электрические характеристики, упрощая трудоемкость The technical problem solved by the utility model is to reduce the physical values of the inductance and capacitance of the oscillatory circuit of a resonant low-frequency amplifier, while providing all its necessary electrical characteristics, simplifying the complexity

выполнения устройства, уменьшая его габариты, массу, стоимость изготовления и повышая надежность эксплуатации.the implementation of the device, reducing its size, weight, manufacturing cost and increasing the reliability of operation.

Достижение технических результатов обеспечивается нижеприведенными отличительными признаками.The achievement of technical results is provided by the following distinguishing features.

Резонансный усилитель содержит входной усилительный каскад на транзисторе, база которого подключена к точке подачи входного сигнала, а эмиттер подключен к общей шине, колебательный контур, образованный индуктивностью и емкостью, первые выводы которых соединены с коллектором транзистора. В отличие от прототипа резонансный усилитель содержит согласующий неинвертирующий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления, вход которого соединен с первыми выводами индуктивности и емкости колебательного контура, а выход является выходом резонансного усилителя, неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы, подключенные выходом соответственно ко вторым выходам индуктивности и емкости, а входом к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя.The resonant amplifier contains an input amplifier stage on the transistor, the base of which is connected to the input signal supply point, and the emitter is connected to a common bus, an oscillatory circuit formed by inductance and capacitance, the first conclusions of which are connected to the collector of the transistor. In contrast to the prototype, the resonant amplifier contains a matching non-inverting operational amplifier with a unity gain, the input of which is connected to the first conclusions of the inductance and capacitance of the oscillatory circuit, and the output is the output of a resonant amplifier, a non-inverting operational amplifier with a gain less than unity and an inverting operational amplifier with a gain more units connected by the output, respectively, to the second outputs of the inductance and capacitance, and the input to the output do matching non-inverting operational amplifier.

В варианте выполнения резонансного усилителя для увеличения добротности колебательного контура на низких частотах при малых значениях индуктивности емкость выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов, общая точка соединения которых In an embodiment of the resonant amplifier, to increase the quality factor of the oscillating circuit at low frequencies at low inductance values, the capacitance is made in the form of two capacitors connected in series, the common connection point of which

подключена к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя через дополнительно введенный резистивный делитель.connected to the output of the matching non-inverting operational amplifier through an additionally introduced resistive divider.

На фиг.1 представлена эквивалентная схема резонансного усилителя;Figure 1 presents the equivalent circuit of a resonant amplifier;

на фиг.2 - эквивалентная схема резонансного усилителя по п.2 формулы;figure 2 is an equivalent circuit of a resonant amplifier according to claim 2 of the formula;

на фиг.3 - принципиальная схема резонансного усилителя.figure 3 is a schematic diagram of a resonant amplifier.

На схемах фиг.1÷3 обозначено: 1 - входной усилительный каскад на транзисторе; 2 - база транзистора; 3 - коллектор транзистора; 4 - эмиттер транзистора; 5 - индуктивность L₀ колебательного контура; 6, 10, 11 - емкость С₀ колебательного контура; 7 - согласующий неинвертирующий операционный усилитель с единичным коэффициентом усиления; 8 - неинвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления меньше единицы; 9 - инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления больше единицы; 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 - резисторы R.In the diagrams of figure 1 ÷ 3 indicated: 1 - input amplifier stage on the transistor; 2 - transistor base; 3 - transistor collector; 4 - emitter of the transistor; 5 - inductance L _{0 of the} oscillatory circuit; 6, 10, 11 - capacity With ₀ oscillatory circuit; 7 - matching non-inverting operational amplifier with a unity gain; 8 - non-inverting operational amplifier with a gain of less than unity; 9 - inverting operational amplifier with a gain greater than unity; 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 - resistors R.

Резонансный усилитель представляет собой (фиг.1) однокаскадный усилитель, входной усилительный транзисторный каскад 1 с открытым коллекторным выходом которого выполнен на транзисторе (типа VT1). База 2 транзистора подключена к точке подачи входного сигнала U_вх., эмиттер 4 подключен к общей шине, а в цепь коллектора 3 включен колебательный контур, образованный индуктивностью 5 и емкостью 6, и входом согласующего неинвертирующего операционного усилителя 7 с единичным коэффициентом усиления (повторитель напряжения), выход которого является выходом резонансного усилителя U_вх. Неинвертирующий The resonant amplifier is (Fig. 1) a single-stage amplifier, the input amplifier transistor stage 1 with an open collector output of which is made on a transistor (type VT1). Base 2 of the transistor is connected to the input point of the input signal U _I. Emitter 4 connected to a common bus, and in the collector circuit 3 incorporated oscillation circuit formed by an inductance and a capacitance 5, 6 and the noninverting input of a matching operational amplifier 7 with unity gain (voltage follower), whose output is the output of the resonance amplifier U _Rin. Non inverting

операционный усилитель 8 с коэффициентом усиления меньше единицы и инвертирующий операционный усилитель 9 с коэффициентом усиления больше единицы подключены выходом соответственно ко вторым выходам индуктивности 5 и емкости 6, а входом к выходу согласующего неинвертирующего операционного усилителя 7. В качестве операционных усилителей 8 и 9 использованы широкополосные усилители типа VCA610 с переменным коэффициентом усиления, в качестве согласующего усилителя 7 использован усилитель типа OPA27GP.operational amplifier 8 with a gain of less than one and an inverting operational amplifier 9 with a gain of more than one are connected by the output to the second outputs of inductance 5 and capacitance 6, respectively, and by the input to the output of a matching non-inverting operational amplifier 7. Broadband amplifiers are used as operational amplifiers 8 and 9 type VCA610 with a variable gain, as the matching amplifier 7 used amplifier type OPA27GP.

Для увеличения добротности колебательного контура на низких частотах при малых значениях индуктивности (фиг.2) емкость колебательного контура выполнена в виде последовательно соединенных двух конденсаторов 11 и 12, общая точка соединения которых подключена к выходу согласующего усилителя 7 через резистивный делитель 12, 13, 14, резистор 12 которого обеспечивают положительную обратную связь. Резонансная частота усилителя не меняется.To increase the quality factor of the oscillating circuit at low frequencies at low values of inductance (Fig. 2), the capacitance of the oscillating circuit is made in the form of two capacitors 11 and 12 connected in series, the common connection point of which is connected to the output of the matching amplifier 7 through a resistive divider 12, 13, 14, a resistor 12 which provides positive feedback. The resonant frequency of the amplifier does not change.

На фиг.3 приведена принципиальная схема выполнения резонансного усилителя. Она отличается от эквивалентной схемы на фиг.1 наличием элементов цепей смещения (резисторы 15, 16, 17) транзистора 1 входного усилителя постоянного тока и наличием цепей обратной связи операционного усилителя 8 (резисторы 19, 20) и операционного усилителя 9 (резисторы 18, 21) с коэффициентом усиления К₀≫1.Figure 3 shows a schematic diagram of a resonant amplifier. It differs from the equivalent circuit in figure 1 by the presence of bias circuit elements (resistors 15, 16, 17) of the transistor 1 of the input DC amplifier and the presence of feedback circuits of the operational amplifier 8 (resistors 19, 20) and the operational amplifier 9 (resistors 18, 21 ) with a gain of K ₀ ≫1.

Операционные усилители обладают большим коэффициентом усиления, высоким входным и сравнительно малым выходным сопротивлениями. С Operational amplifiers have a large gain, high input and relatively low output impedances. FROM

помощью подключения к операционному усилителю различных цепей обратной связи можно осуществлять различные преобразования подводимых к нему сигналов.By connecting various feedback circuits to the operational amplifier, various transformations of the signals supplied to it can be carried out.

Работа предлагаемого резонансного усилителя основана на принципе изменения динамического импеданса двухполюсника при подаче на один из его входов синфазного или противофазного напряжения. Увеличение (уменьшение) входного тока при этом эквивалентно уменьшению (увеличению) динамического сопротивления двухполюсника. Пример (фиг.3) реализации схемы резонансного усилителя на низкие частоты с использованием в его схеме операционных усилителей позволяет получить коэффициент передачи операционного усилителя 9 равным К_C=-(R₁₈/R₂₁), а операционного усилителя 8 равным K_C=R₁₉/(R₂₀+R₁₉). Динамические параметры индуктивности L_g и емкости C_g колебательного контура будут определяться соотношениями:The work of the proposed resonant amplifier is based on the principle of changing the dynamic impedance of a two-terminal network when a common-mode or antiphase voltage is applied to one of its inputs. An increase (decrease) in the input current is equivalent to a decrease (increase) in the dynamic resistance of a two-terminal device. An example (Fig. 3) of implementing a low-frequency resonant amplifier circuit using operational amplifiers in its circuit allows the gain of the operational amplifier 9 to be equal to K _C = - (R ₁₈ / R ₂₁ ), and to the operational amplifier 8 to be equal to K _C = R ₁₉ / (R ₂₀ + R ₁₉ ). The dynamic parameters of the inductance L _g and capacitance C _{g of the} oscillatory circuit will be determined by the relations:

L_g=L₅/(1-K_L)=L₅(1+(R₁₉/(R₂₀)), где L₅ - индуктивность 5 контура;L _g = L ₅ / (1-K _L ) = L ₅ (1+ (R ₁₉ / (R ₂₀ )), where L ₅ is the inductance 5 of the circuit;

C_g=С₆/(1-К_C)=С₆(1+(R₁₈/(R₂₁)), где С₆ - емкость 6 контура.C _g = C ₆ / (1-K _C ) = C ₆ (1+ (R ₁₈ / (R ₂₁ )), where C ₆ is the capacity of circuit 6.

То есть, в случае равенства резисторов R₁₉=R₁₈, R₂₀=R₂₁ можно реализовать перестройку резонансной частоты колебательного контура при одинаковом изменении, например резисторов R₁₉, R₁₈, при сохранении волнового сопротивления ρ контура:That is, in case of equality of the resistors R ₁₉ = R ₁₈ , R ₂₀ = R _21, it is possible to realize the tuning of the resonant frequency of the oscillatory circuit with the same change, for example, the resistors R ₁₉ , R ₁₈ , while maintaining the wave impedance ρ of the circuit:

Таким образом, предлагаемый резонансный усилитель с использованием в качестве дополнительных элементов его схемы операционных усилителей позволяет синтезировать необходимые характеристики LC-контура на низких частотах без применения громоздких катушек индуктивности и конденсаторов больших номиналов емкостей.Thus, the proposed resonant amplifier using as an additional element of its circuit operational amplifiers allows you to synthesize the necessary characteristics of the LC circuit at low frequencies without the use of bulky inductors and capacitors of large capacitances.

Claims

1. A resonant amplifier containing an input amplifier stage on a transistor, the base of which is connected to the input signal input point, and the emitter is connected to a common bus, an oscillatory circuit formed by inductance and capacitance, the first conclusions of which are connected to the collector of the transistor, characterized in that a matching non-inverting operational amplifier with a unity gain is introduced, the input of which is connected to the first conclusions of the inductance and capacitance of the oscillatory circuit, and the output is the output of the resonance nsnogo amplifier non-inverting operational amplifier with gain of less than unity and an inverting operational amplifier with gain greater than unity, the output connected respectively to the second output inductance and capacitance, and the input to the output of the matching non-inverting operational amplifier.

2. The resonant amplifier according to claim 1, characterized in that the capacitance of the oscillating circuit is made in the form of two capacitors connected in series, the common connection point of which is connected to the output of a matching non-inverting operational amplifier through an additionally introduced resistive divider.