RU2060579C1

RU2060579C1 - Push-pull current amplifier

Info

Publication number: RU2060579C1
Authority: RU
Inventors: Сергей Валерьевич Аленин
Original assignee: Сергей Валерьевич Аленин
Priority date: 1992-04-14
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: integrated analog amplifier units, low-voltage integrated push-pull power amplifiers. SUBSTANCE: push-pull current amplifier has amplifier transistors 1, 2, transistorized current sensors 3, 4 connected in parallel with transistors 1, 2, respectively, whose outputs are connected to unit separating minimum out of two currents built around bias current source 17 and around current-metering transistors 7, 8 connected as diodes. Separated current minimum goes via feedback transistors 11, 12 and current mirror 16 to bases of amplifier transistors 1, 2. EFFECT: improved operating stability and gain, provision for principally unlimited value of maximum output current at minimal supply voltage. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аналоговых интегральных усилительных устройствах, в частности в низковольтных двухтактных усилителях мощности в интегральном исполнении. The invention relates to radio engineering and can be used in analog integrated amplifying devices, in particular in low-voltage push-pull power amplifiers in integrated design.

Известен двухтактный усилитель тока, содержащий первый и второй комплементарные усилительные транзисторы, базы которых являются первым и вторым входами устройства соответственно и соединены через первый и второй резисторы с общей шиной и шиной питания соответственно, эмиттеры первого и второго усилительных транзисторов соединены с общей шиной и шиной питания соответственно, а коллекторы объединены и являются выходом устройства. Недостатком данного устройства является низкая стабильность режимного тока усилительных транзисторов [1]
Известен также усилитель тока, содержащий первый и второй усилительные транзисторы, базы которых являются первым и вторым входами, коллекторы первым и вторым выходами устройства соответственно, эмиттеры объединены и соединены с базами и коллекторами первого и второго токоизмерительных транзисторов, эмиттеры которых соединены с общей шиной, а также первый и второй транзисторы обратной связи, базы которых соединены с базами токоизмерительных транзисторов, коллекторы с базами первого и второго усилительных транзисторов соответственно, а эмиттеры с общей шиной [2] Данное устройство обладает высоким коэффициентом усиления (в_ст усилительных транзисторов) и высокой стабильностью режимного тока, обеспечиваемой обратной связью по сумме токов усилительных транзисторов, которая одновременно ограничивает диапазон выходных токов устройства величиной суммарного тока (т.н. усилитель класса А) [2]
Целью изобретения является расширение динамического диапазона выходного сигнала.Known push-pull current amplifier containing the first and second complementary amplifying transistors, the bases of which are the first and second inputs of the device, respectively, and are connected through the first and second resistors to a common bus and a power bus, respectively, emitters of the first and second amplifying transistors are connected to a common bus and a power bus respectively, and the collectors are combined and are the output of the device. The disadvantage of this device is the low stability of the mode current amplifying transistors [1]
A current amplifier is also known, comprising first and second amplifying transistors, the bases of which are the first and second inputs, collectors of the first and second outputs of the device, respectively, emitters are combined and connected to the bases and collectors of the first and second current transistors, the emitters of which are connected to a common bus, and also the first and second feedback transistors, the bases of which are connected to the bases of current-measuring transistors, collectors with the bases of the first and second amplifying transistors, respectively, and emitters with a common bus [2] This device has a high gain (in _st amplifying transistors) and high stability of the mode current provided by feedback on the sum of the currents of amplifying transistors, which simultaneously limits the range of output currents of the device to the total current (the so-called Class A amplifier) [2]
The aim of the invention is to expand the dynamic range of the output signal.

Это достигается тем, что в усилитель тока, содержащий первый и второй усилительные транзисторы, первый и второй токоизмерительные транзисторы, первый и второй транзисторы обратной связи, причем базы первого и второго усилительных транзисторов являются первым и вторым входами, коллекторы первым и вторым выходами устройства соответственно, базы и коллекторы первого и второго токоизмерительных транзисторов объединены и соединены с базами первого и второго транзисторов обратной связи, коллектор первого из которых соединен с базой первого усилительного транзистора, дополнительно введены первый и второй транзисторы- датчики тока, первый и второй токоограничивающие резисторы, первый и второй токоизмерительные резисторы, первый и второй резисторы обратной связи, первое и второе зеркала тока и источник тока смещения, при этом эмиттеры первого и второго усилительных транзисторов соединены с общей шиной и шиной питания соответственно, базы с базами первого и второго транзисторов-датчиков, эмиттеры которых через первый и второй токоограничивающие резисторы соответственно соединены с общей шиной и шиной питания соответственно, а коллекторы с входом первого зеркала тока и с эмиттером первого токоизмерительного транзистора соответственно, выход первого зеркала тока соединен с эмиттером второго токоизмерительного транзистора, эмиттеры первого и второго токоизмерительных транзисторов через первый и второй токоизмерительные резисторы соответственно соединены с общей шиной, коллектор второго транзистора обратной связи соединен с входом второго зеркала тока, выход которого соединен с базой второго усилительного транзистора, а источник тока смещения включен между шиной питания и точкой соединения баз и коллекторов токоизмерительных транзисторов, причем второй усилительный транзистор и второй транзистор-датчик тока выполнены дополнительного типа проводимости. This is achieved by the fact that in the current amplifier containing the first and second amplifying transistors, the first and second current transistors, the first and second feedback transistors, the bases of the first and second amplifying transistors are the first and second inputs, the collectors are the first and second outputs of the device, respectively. the bases and collectors of the first and second current transistors are combined and connected to the bases of the first and second feedback transistors, the collector of the first of which is connected to the base of the first amplifier transistor, additionally introduced the first and second transistors-current sensors, the first and second current-limiting resistors, the first and second current-measuring resistors, the first and second feedback resistors, the first and second current mirrors and the bias current source, while the emitters of the first and second amplifier transistors connected to the common bus and the power bus, respectively, the base with the bases of the first and second transistor-sensors, the emitters of which through the first and second current-limiting resistors respectively are common with the common bus and power bus, respectively, and the collectors with the input of the first current mirror and the emitter of the first current transistor, respectively, the output of the first current mirror is connected to the emitter of the second current transistor, the emitters of the first and second current transistors through the first and second current resistors are respectively connected to by a common bus, the collector of the second feedback transistor is connected to the input of the second current mirror, the output of which is connected to the base of the second amplifier transistor, and the bias current source is connected between the power bus and the connection point of the bases and collectors of current-measuring transistors, and the second amplifying transistor and the second transistor-current sensor are made of an additional type of conductivity.

На фиг. 1 и 2 приведена принципиальная электрическая схема двухтактного усилителя тока. In FIG. 1 and 2 shows a circuit diagram of a push-pull current amplifier.

Двухтактный усилитель тока содержит первый 1 и второй 2 усилительные транзисторы, первый 3 и второй 4 транзисторы-датчики тока, первый 5 и второй 6 токоограничивающие резисторы, первый 7 и второй 8 токоизмерительные транзисторы, первый 9 и второй 10 токоизмерительные резисторы, первый 11 и второй 12 транзисторы обратной связи, первый 13 и второй 14 резисторы обратной связи, первое 15 и второе 16 зеркала тока, источник 17 тока смещения, первый 18 и второй 19 входы и первый 20 и второй 21 выходы устройства. При этом коллекторы первого 1 и второго 2 усилительных транзисторов являются первым 20 и вторым 21 выходами устройства соответственно, эмиттеры соединены с общей шиной и шиной питания соответственно, базы с первым 18 и вторым 19 входами устройства соответственно, а также с базами первого 3 и второго 4 транзисторов-датчиков тока соответственно, эмиттеры которых через первый 5 и второй 6 токоограничивающие резисторы соединены с общей шиной и шиной питания соответственно, коллектор первого транзистора-датчика тока 3 с входом первого зеркала тока 15, а коллектор второго транзистора-датчика тока 4 и выход первого зеркала тока 15 с эмиттерами первого 7 и второго 8 токоизмерительных транзисторов соответственно, а также через первый 9 и второй 10 токоизмерительные резисторы соответственно с общей шиной. The push-pull current amplifier contains the first 1 and second 2 amplifying transistors, the first 3 and second 4 transistors-current sensors, the first 5 and second 6 current-limiting resistors, the first 7 and second 8 current-measuring transistors, the first 9 and second 10 current-measuring resistors, the first 11 and second 12 feedback transistors, first 13 and second 14 feedback resistors, first 15 and second 16 current mirrors, bias current source 17, first 18 and second 19 inputs and first 20 and second 21 device outputs. In this case, the collectors of the first 1 and second 2 amplifying transistors are the first 20 and second 21 outputs of the device, respectively, the emitters are connected to the common bus and the power bus, respectively, the base with the first 18 and second 19 inputs of the device, respectively, as well as with the bases of the first 3 and second 4 transistors-current sensors, respectively, the emitters of which through the first 5 and second 6 current-limiting resistors are connected to a common bus and a power bus, respectively, the collector of the first transistor-current sensor 3 with the input of the first current mirror 15 and the collector of the second transistor-current sensor 4 and the output of the first current mirror 15 with emitters of the first 7 and second 8 current-measuring transistors, respectively, and also through the first 9 and second 10 current-measuring resistors, respectively, with a common bus.

Причем базы и коллекторы первого 7 и второго 8 токоизмерительных транзисторов объединены и соединены через источник тока смещения 17 с шиной питания, а также с базами первого 11 и второго 12 транзисторов обратной связи непосредственно, эмиттеры которых через первый 13 и второй 14 резисторы обратной связи соответственно соединены с общей шиной, коллектор второго транзистора обратной связи 12 соединен с входом второго зеркала тока 16, а коллектор первого транзистора обратной связи 11 и выход второго зеркала тока 16 соединены с базами первого 1 и второго 2 усилительных транзисторов соответственно. Moreover, the bases and collectors of the first 7 and second 8 current transistors are combined and connected through a bias current source 17 to the power bus, as well as directly to the bases of the first 11 and second 12 feedback transistors, the emitters of which are connected through the first 13 and second 14 feedback resistors, respectively with a common bus, the collector of the second feedback transistor 12 is connected to the input of the second current mirror 16, and the collector of the first feedback transistor 11 and the output of the second current mirror 16 are connected to the bases of the first 1 and second wo 2 amplifier transistors respectively.

Двухтактный усилитель тока работает следующим образом. A push-pull current amplifier operates as follows.

На первый 18 и второй 19 входы подаются входные токи I₁₈ и I₁₉ втекающей и вытекающей полярностей соответственно. Положим для определенности I₁₈ > I₁₉. Первый 1 и второй 2 усилительные транзисторы открываются так же, как и соответствующие транзисторы-датчики тока 3, 4, причем коллекторный ток первого транзистора-датчика тока 3 и равный ему выходной ток первого зеркала тока 15 больше коллекторного тока второго транзистора-датчика тока 4, а значит напряжение на втором токоизмерительном резисторе 10 больше, чем на первом токоизмерительном резисторе 9, вследствие чего весь ток источника тока смещения 17 протекает через первый токоизмерительный транзистор 7, в то время как второй токоизмерительный транзистор 8 закрыт и потенциал базы транзисторов обратной связи 11, 12 определяется величиной меньшего из входных токов (I₁₉) и устанавливается на таком уровне, что выходной ток второго зеркала тока 16 равен входному току I₁₉ с точностью до базовых токов транзисторов 2, 4.The first 18 and second 19 inputs are fed input currents I ₁₈ and I ₁₉ flowing in and outgoing polarities, respectively. For definiteness, we put I ₁₈ > I ₁₉ . The first 1 and second 2 amplifying transistors open in the same way as the corresponding transistor current sensors 3, 4, and the collector current of the first transistor current sensor 3 and the equal output current of the first current mirror 15 is greater than the collector current of the second transistor current sensor 4, and therefore the voltage on the second current-measuring resistor 10 is greater than on the first current-measuring resistor 9, as a result of which the entire current of the bias current source 17 flows through the first current-measuring transistor 7, while the second current-measuring transistor 8 is closed and the potential of the base of feedback transistors 11, 12 is determined by the value of the smaller of the input currents (I ₁₉ ) and is set at such a level that the output current of the second current mirror 16 is equal to the input current I ₁₉ with an accuracy of the base currents of transistors 2, 4.

При этом коллекторный ток второго усилительного транзистора 2 пропорционален току I₁₉, где коэффициент пропорциональности определяется отношением площадей усилительного транзистора и транзистора-датчика тока, величиной токоограничивающего резистора и соотношением номиналов токоизмерительных резисторов и резисторов обратной связи и может быть выбран близким единице. Коллекторные токи транзисторов обратной связи 11, 12 так же, как выходной ток второго зеркала тока 16, равны I₁₉ и, следовательно, в базу первого усилительного транзистора 1 втекает ток, равный (I₁₈-I₁₉), а его коллекторный ток равен (I₁₈-I₁₉) в_ст. Таким образом обеспечиваются малый коэффициент передачи на выход синфазной составляющей входного тока (меньшего из модулей входных токов), т. е. стабильность режима, и высокий коэффициент усиления (в_ст) дифференциальной составляющей входного тока, причем величина выходного тока ограничена только электрической прочностью усилительных транзисторов.In this case, the collector current of the second amplifying transistor 2 is proportional to the current I ₁₉ , where the proportionality coefficient is determined by the ratio of the areas of the amplifying transistor and the transistor-current sensor, the value of the current-limiting resistor and the ratio of the nominal current-measuring resistors and feedback resistors and can be chosen close to unity. The collector currents of the feedback transistors 11, 12, like the output current of the second current mirror 16, are equal to I ₁₉ and, therefore, a current equal to (I ₁₈ -I ₁₉ ) flows into the base of the first amplifying transistor 1, and its collector current is ( I ₁₈ -I ₁₉ ) in _Art . This ensures a small transmission coefficient for the output of the in-phase component of the input current (the smaller of the input current modules), i.e., mode stability, and a high gain (in _c ) of the differential component of the input current, and the output current is limited only by the electric strength of the amplifying transistors .

На фиг. 1 пунктиром показаны один из возможных вариантов зеркал тока внутри соответствующих квадратов, и диоды, включенные параллельно токоизмерительным транзисторам, которые могут быть использованы для ограничения напряжения на них и предотвращения насыщения второго транзистора-датчика тока и первого зеркала тока. In FIG. Dotted line 1 shows one of the possible options for current mirrors inside the corresponding squares, and diodes connected in parallel with current-measuring transistors, which can be used to limit the voltage on them and prevent saturation of the second current transistor-sensor and the first current mirror.

Предлагаемый двухтактный усилитель тока за счет введения первого и второго транзисторов-датчиков тока, первого и второго токоограничивающих резисторов, первого и второго токоизмерительных резисторов, первого и второго резисторов обратной связи, первого и второго зеркала тока и источника тока смещения обеспечивает высокую стабильность режима, высокий коэффициент усиления и отсутствие принципиальных ограничений на величину максимального выходного тока, а также способен работать при минимальном напряжении питания (всего 0,9 В), что позволяет использовать его для построения двухтактных усилителей мощности, (см. фиг. 2), в том числе низковольтных и в интегральном исполнении. The proposed push-pull current amplifier due to the introduction of the first and second transistor current sensors, the first and second current-limiting resistors, the first and second current-measuring resistors, the first and second feedback resistors, the first and second current mirrors and the bias current source provides high mode stability, high coefficient amplification and the absence of fundamental restrictions on the magnitude of the maximum output current, and is also able to work with a minimum supply voltage (only 0.9 V), which allows It should be used to build push-pull power amplifiers, (see. Fig. 2), including low-voltage and integrated design.

Claims

Двухтактный усилитель тока, содержащий первый и второй усилительные транзисторы, первый и второй токоизмерительные транзисторы, первый и второй транзисторы обратной связи, причем базы первого и второго усилительных транзисторов являются первым и вторым входами, коллекторы первым и вторым выходами двухтактного усилителя тока соответственно, базы и коллекторы первого и второго токоизмерительных транзисторов объединены и соединены с базами первого и второго транзисторов обратной связи, коллектор первого из которых соединен с базой первого усилительного транзистора, отличающийся тем, что введены первый и второй транзисторы-датчики тока, первый и второй токоограничительные резисторы, первый и второй токоизмерительные резисторы, первый и второй резисторы обратной связи, первое и второе зеркала тока и источник тока смещения, при этом эмиттеры первого и второго усилительных транзисторов соединены с общей шиной и шиной питания соответственно, базы с базами первого и второго транзисторов-датчиков тока соответственно, эмиттеры которых через первый и второй токоограничивающие резисторы соответственно соединены с общей шиной и шиной питания, а коллекторы с входом первого зеркала тока и эмиттером первого токоизмерительного транзистора соответственно, выход первого зеркала тока соединен с эмиттером второго токоизмерительного транзистора, эмиттеры первого и второго токоизмерительных транзисторов через первый и второй токоизмерительные резисторы соответственно соединены с общей шиной, коллектор второго транзистора обратной связи соединен с входом второго зеркала тока, выход которого соединен с базой второго усилительного транзистора, а источник тока смещения включен между шиной питания и точкой соединения баз и коллекторов токоизмерительных транзисторов, причем второй усилительный транзистор и второй транзистор-датчик тока выполнены дополнительного типа. A push-pull current amplifier containing the first and second amplifying transistors, the first and second current transistors, the first and second feedback transistors, the bases of the first and second amplifying transistors being the first and second inputs, the collectors of the first and second outputs of the push-pull current amplifier, respectively, the bases and collectors the first and second current transistors are combined and connected to the bases of the first and second feedback transistors, the collector of the first of which is connected to the base of an amplifying transistor, characterized in that the first and second current transistors are introduced, the first and second current-limiting resistors, the first and second current-measuring resistors, the first and second feedback resistors, the first and second current mirrors and the bias current source, while the emitters of the first and the second amplifying transistors are connected to a common bus and a power bus, respectively, the base with the bases of the first and second transistor-current sensors, respectively, whose emitters through the first and second current-limiting respectively, the output of the first current mirror is connected to the emitter of the second current-measuring transistor, the emitters of the first and second current-measuring transistors are respectively connected through the first and second current-measuring resistors, respectively with a common bus, the collector of the second feedback transistor is connected to the input of the second current mirror, the output of which is connected to the base an amplifying transistor, and the bias current source is connected between the power bus and the connection point of the bases and collectors of current-measuring transistors, the second amplifying transistor and the second transistor-current sensor are made of an additional type.