CN208299762U - 一种线性化差分放大装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种线性化差分放大装置，所述装置包括级联的用于抵消热电压VT的VT抵消电路和用于放大信号的差分放大电路，其中所述VT抵消电路的输入端为所述装置的输入端，所述VT抵消电路的输出端连接所述差分放大电路的输入端，所述差分放大电路的输出端为所述装置的输出端。本实用新型提供的装置的线性区域已得到扩展，动态范围大，放大增益不受温度影响，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及放大电路，特别涉及一种线性化差分放大装置。
背景技术
常用于功率放大器的晶体管的输出与输入的电压及电流的关系都是非线性的，它是造成各种调制失真的主要原因。在一般性的设计中，所谓线性都是选择在特性曲线中“平直”部分来等效的，但实际应用时，其线性度仍不理想。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种线性化差分放大装置，能更好地解决差分放大电路的线性动态范围小等线性度不理想的问题。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种线性化差分放大装置，所述装置包括：级联的用于抵消热电压VT的VT抵消电路和用于放大信号的差分放大电路，其中所述VT抵消电路的输入端为所述装置的输入端，所述VT抵消电路的输出端连接所述差分放大电路的输入端，所述差分放大电路的输出端为所述装置的输出端。
优选地，所述差分放大电路是带有恒流源的差分放大器。
优选地，所述差分放大器包括：
第一工作电源Ec1；
一对特性相同的三极管T1和T2，所述三极管T1和T2的基极作为所述差分放大器的输入端，所述三极管T1和T2的集电极作为所述装置的输出端，所述T1和T2的发射极相连作为共同发射极；
一对特性相同的电阻R11和R12，所述电阻R11连接在第一工作电源Ec1的正极与所述三极管T1的集电极之间，所述电阻R12连接在第一工作电源Ec1的正极与所述三极管T2的集电极之间；
恒流源I1，其连接在所述第一工作电源Ec1的负极与所述共同发射极之间。
优选地，所述VT抵消电路是反双曲正切运算电路。
优选地，所述反双曲正切运算电路包括：
第二工作电源Ec2；
一对特性相同的三极管T3和T4，所述三极管T3和T4的基极作为所述装置的输入端，所述三极管T3和T4的集电极作为所述反双曲正切运算电路的输出端；
一对特性相同的二极管D1和D2，所述二极管D1和D2的阳极相连作为共同阳极，所述二极管D1的阴极连接所述三极管T3的集电极，所述二极管D2的阴极连接所述三极管T4的集电极；
一对特性相同的恒流源I2和I3，所述恒流源I2连接在所述三极管T3的发射极与工作地之间，所述恒流源I3连接在所述三极管T4的发射极与工作地之间；
电阻2Rx，连接在所述三极管T3和T4的发射极之间；
电阻R1，连接在所述第二工作电源Ec2的正极与所述共同阳极之间。
与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提供的装置通过VT抵消电路，使线性区域得到扩展，动态范围大，放大增益不受三极管管温T影响，具有较高的实用价值。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐述性的，其并不能限制本实用新型索要主张的范围。
附图说明
下面的附图是本实用新型说明书的一部分，其绘出了本实用新型的示意性实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本实用新型的原理。
图1是本实用新型实施例提供的一种线性化差分放大装置的结构示意图；
图2是图1的差分放大电路的示意图；
图3是图1的VT抵消电路的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的主要实施例进行详细叙述，任何所属技术领域技术人员在了解本实用新型内容的实施例后，当可由本实用新型所示内容，加以修饰或改变，其并不脱离本实用新型内容的范围。本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。本实用新型在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件或构件是用来代表相同或类似部分。本文中所使用的“第一”、“第二”，…等，并非特指次序或顺位，也非用于限定本实用新型，其仅为了区别以相同技术用于描述的元件或操作。本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包括但不限于。
图1是本实用新型实施例提供的一种线性化差分放大装置的结构示意图，如图1所示，所述装置包括：级联的用于抵消热电压VT的VT抵消电路和用于放大信号的差分放大电路。
其中，所述VT抵消电路的输入端为所述装置的输入端，接入输入电压Vx。
其中，所述VT抵消电路的输出端连接所述差分放大电路的输入端，将输出电压Vx’传输至所述差分放大电路，所述输出电压Vx’是一个包含VT的反双曲正切函数。
其中，所述差分放大电路的输入端连接所述VT抵消电路的输出端，接入所述VT抵消电路的输出电压Vx’。
其中，所述差分放大电路的输出端为所述装置的输出端，输出电压Vo。
应当说明的是，所述差分放大电路是带有恒流源的差分放大器，该电路为已有电路，当输入为Vx时，输出是非线性的包含VT的双曲正切函数，线性度不理想。本实用新型为解决VT和双曲正切函数导致的线性度不理想的问题，设计VT抵消电路，当输入为Vx时，输出是非线性的包含VT的反双曲正切函数。进一步地，本实用新型将VT抵消电路和差分放大器组合成一个新电路，新电路先利用VT抵消电路对输入信号Vx进行反双曲正切运算，再利用差分放大器进行双曲正切运算，最终输出线性结果，即当差分放大器的输入是VT抵消电路输出的包含VT的反双曲正切函数时，差分放大器的输出结果是一个消除了VT对电路影响的线性函数。
图2是图1的差分放大电路的示意图，如图2所示，差分放大电路可以是带有恒流源的差分放大器，所述差分放大器包括：第一工作电源Ec1；一对特性相同的三极管T1和T2；一对特性相同的电阻R11和R12；恒流源I1。其中，所述三极管T1和T2的基极作为所述差分放大电路的输入端接入所述VT抵消电路的输出电压Vx’，所述三极管T1和T2的集电极作为所述装置的输出端输出满足实际应用要求的Vo，所述T1和T2的发射极相连作为共同发射极；所述电阻R11连接在第一工作电源Ec1的正极与所述三极管T1的集电极之间，所述电阻R12连接在第一工作电源Ec1的正极与所述三极管T2的集电极之间；所述恒流源I1连接在所述第一工作电源Ec1的负极与所述共同发射极之间。
图3是图1的VT抵消电路的示意图，如图3所示，所述VT抵消电路可以是反双曲正切运算电路，所述反双曲正切运算电路包括：第二工作电源Ec2，一对特性相同的三极管T3和T4，一对特性相同的二极管D1和D2，一对特性相同的恒流源I2和I3，电阻2Rx，电阻R1。其中，所述三极管T3和T4的基极作为所述装置的输入端接入输入电压Vx，所述三极管T3和T4的集电极作为所述VT抵消电路的输出端输出Vx’；所述二极管D1和D2的阳极相连作为共同阳极，所述二极管D1的阴极连接所述三极管T3的集电极，所述二极管D2的阴极连接所述三极管T4的集电极；所述恒流源I2连接在所述三极管T3的发射极与工作地之间，所述恒流源I3连接在所述三极管T4的发射极与工作地之间；所述电阻2Rx连接在所述三极管T3和T4的发射极之间；所述电阻R1连接在所述第二工作电源Ec2的正极与所述共同阳极之间。
上述图2的第一工作电源和第二工作电源可以采用同一工作电源，也可以采用不同工作电源。
所述装置的原理如下：
已有技术中，直接利用图2进行信号放大，即利用图2所示的带有恒流源的差分放大电路的三极管T1和T2直接对输入电压Vx进行差分放大。假定图2的差分放大电路是完全对称的，三级管T1与T2的特性完全相同，通过计算，可以得到基本电路的输出电压表达式，如公式(1)所示。
其中，ie3为三极管T1和T2的发射极电流ie1和ie2之和，RC为电阻R11和R12的阻值，VT为三极管T1和T2的热电压，VT的大小与三极管管温T成正比，th(·)为双曲正切运算。
当Vx≤2VT时，公式(1)可以简化为公式(2)。
其中，
上式表明：(1)图2基本电路允许的线性动态范围很小，应当满足Vx≤2VT的条件；(2)增益K与温度T(或热电压VT)有关。
由此看来，基本电路难以满足实际中的要求，为了使图2的电路具有较高实用价值，本实用新型针对其不足(例如线性动态范围小、增益K与温度有关)采取措施加以克服。
根据输出电压表达式(1)可知，公式(1)是一个双曲正切函数，如果先对输入电压Vx进行反双曲正切(th-1)运算，则可以抵消掉公式(1)中无法避免的双曲正切(th)运算。
因此，本实用新型对输入电压Vx进行反双曲正切运算，即将反双曲正切运算作为前述VT抵消电路，如图3所示。
从图3可以看出，当2Rx取值非常大时，则由Vx引起的三极管T3和T4的集电极电流ic1、ic2将分别如公式(3)和(4)所示。
其中，IOX是特性相同的恒流源I2和I3的电流值。
令图3中A点的电压为VA，则该电路的输出电压Vx'为：
VX'＝(VA-VD2)-(VA-VD1)＝VD1-VD2 (5)
其中，VD1、VD2分别是二极管D1和D2上的管压降。
由PN结的伏安特性可知VD1、VD2和ic1、ic2的关系分别为(假定D1和D2的参数完全一致)：
其中，Is为二极管D1和D2的反向饱和电流。
将上述公式(6)和(7)代入公式(5)中，得到公式(8)。
用公式(8)中的Vx’代替公式(1)中的Vx，则得到线性化的输出电压：
其中，
由公式(9)可以看出：将图2和图3的电路组合在一起后形成的线性化的三极管放大电路是比较理想的，首先线性区域已得到扩展，动态范围大；其次增益已不受温度影响(在K’的表达式中消除了VT)，但各恒流源应保持电流恒定(因其波动将对放大系数产生较大影响)。
至此，三极管线性化电路基本完成，能够达到预期目的，可以满足实际应用中的要求。
.尽管上文对本实用新型进行了详细说明，但是本实用新型不限于此，本技术领域技术人员可以根据本实用新型的原理进行各种修改。因此，凡按照本实用新型原理所作的修改，都应当理解为落入本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种线性化差分放大装置，其特征在于，包括级联的用于抵消热电压VT的VT抵消电路和用于放大信号的差分放大电路，其中所述VT抵消电路的输入端为所述装置的输入端，所述VT抵消电路的输出端连接所述差分放大电路的输入端，所述差分放大电路的输出端为所述装置的输出端。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差分放大电路是带有恒流源的差分放大器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述差分放大器包括：
第一工作电源Ec1；
一对特性相同的三极管T1和T2，所述三极管T1和T2的基极作为所述差分放大器的输入端，所述三极管T1和T2的集电极作为所述装置的输出端，所述T1和T2的发射极相连作为共同发射极；
一对特性相同的电阻R11和R12，所述电阻R11连接在第一工作电源Ec1的正极与所述三极管T1的集电极之间，所述电阻R12连接在第一工作电源Ec1的正极与所述三极管T2的集电极之间；
恒流源I1，其连接在所述第一工作电源的负极与所述共同发射极之间。
4.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于，所述VT抵消电路是反双曲正切运算电路。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述反双曲正切运算电路包括：
第二工作电源Ec2；
一对特性相同的三极管T3和T4，所述三极管T3和T4的基极作为所述装置的输入端，所述三极管T3和T4的集电极作为所述反双曲正切运算电路的输出端；
一对特性相同的二极管D1和D2，所述二极管D1和D2的阳极相连作为共同阳极，所述二极管D1的阴极连接所述三极管T3的集电极，所述二极管D2的阴极连接所述三极管T4的集电极；
一对特性相同的恒流源I2和I3，所述恒流源I2连接在所述三极管T3的发射极与工作地之间，所述恒流源I3连接在所述三极管T4的发射极与工作地之间；
电阻2Rx，连接在所述三极管T3和T4的发射极之间；
电阻R1，连接在所述第二工作电源Ec2的正极与所述共同阳极之间。
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