RU2534972C1 - Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion - Google Patents
Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2534972C1 RU2534972C1 RU2013116925/08A RU2013116925A RU2534972C1 RU 2534972 C1 RU2534972 C1 RU 2534972C1 RU 2013116925/08 A RU2013116925/08 A RU 2013116925/08A RU 2013116925 A RU2013116925 A RU 2013116925A RU 2534972 C1 RU2534972 C1 RU 2534972C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- inverting
- stage
- broadband
- Prior art date
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в т.ч. ВЧ- и СВЧ-диапазонов.The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for precision power amplification of analog signals, in the structures of non-inverting amplifiers and output stages for various functional purposes, including RF and microwave ranges.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные неинвертирующие усилители (ШНУ), обеспечивающие усиление по мощности и преобразование входных сигналов [1-15].In modern electronic equipment, broadband non-inverting amplifiers (SHNU) are used that provide power amplification and conversion of input signals [1-15].
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ШНУ фиг.1, представленная в патенте US 5.512.859, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1÷17]. Во многих практических случаях выходной неинвертирующий каскад ШНУ реализуется по схеме с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3), причем такое решение ШНУ является классическим для его многих применений [16-17].The closest in essence to the claimed technical solution is the classical scheme of the SNU of FIG. 1, presented in the patent US 5.512.859, the architecture of which is also present in a large number of other patents and monographs, for example [1 ÷ 17]. In many practical cases, the non-inverting output stage of the SNU is implemented according to the scheme with sequential negative voltage feedback (Fig. 3), and such a solution of the SNU is classic for its many applications [16-17].
Существенный недостаток известного ШНУ фиг.1 (фиг.2, фиг.3) состоит в том, что он характеризуется повышенным уровнем нелинейных искажений, который измеряется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШНУ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШНУ [16, 17].A significant disadvantage of the known SHNU figure 1 (figure 2, figure 3) is that it is characterized by an increased level of non-linear distortion, which is measured by the harmonic coefficient. This disadvantage is a consequence of the nonlinear operating modes of the transistors of the output stage of the SNU, as well as the influence on the nonlinear distortions of the sinusoidal signal of the final values of the maximum slew rate of the output voltage of the SNU [16, 17].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом.The main objective of the invention is to reduce the level of nonlinear distortion and noise of various origins in the load circuit of an SNU with non-inverting output stage.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном неинвертирующем усилителе фиг.1 (фиг.2, фиг.3), содержащем неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - между входом 2 и выходом 6 устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель 7, второй 8 и третий 9 дополнительные резисторы, причем общий узел 10 второго 8 и третьего 9 дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада 11, токовый выход которого 12 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1.The problem is solved in that in the broadband non-inverting amplifier of figure 1 (figure 2, figure 3), containing a
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена функциональная схема усилителя-прототипа фиг.1.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents the functional diagram of the amplifier of the prototype of figure 1.
На фиг.3 показана схема, соответствующая фиг.2, в которой дан конкретный пример построения неинвертирующего выходного каскада 1 со стабильным коэффициентом передачи на основе операционного усилителя A1 и резисторов R1 и R2.Figure 3 shows the circuit corresponding to figure 2, which gives a specific example of building a
На фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения Uош моделирует генерацию нелинейных искажений в схеме фиг.4, обусловленных неинвертирующим выходным каскадом 1, а также шумов и наводок различной природы. Как правило, это вторая, третья и другие гармоники основного сигнала uвх.Figure 4 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.5 приведена схема фиг.4 в среде PSpice, на базе которой проведено компьютерное исследование заявляемого устройства. Здесь корректирующий каскад 11 моделируется элементом G1.Figure 5 shows a diagram of figure 4 in the environment of PSpice, on the basis of which a computer study of the inventive device. Here, the correcting
На фиг.6 показан спектр выходного напряжения заявляемого устройства фиг.5 при значении крутизны
На фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S11=Gain корректирующего каскада 11S11=Gain=1 См при входном напряжении
На фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 11S11=Gain=5 См при входном напряжении
На фиг.9 приведена схема ШНУ фиг.4 в среде PSpice, в котором выходной каскад 1 реализован (для подтверждения эффективности заявляемого устройства) по двухтактной схеме с заведомо большой зоной нечувствительности и имеет типовые нелинейные искажения (фиг.10), описанные в учебной литературе.Figure 9 shows the schematic diagram of the SNU of Figure 4 in the PSpice environment, in which the
На фиг.10 представлена осциллограмма выходного напряжения устройства фиг.9 при синусоидальном входном сигнале и Gain=0, т.е. ШНУ-прототипа.Figure 10 shows the waveform of the output voltage of the device of figure 9 with a sinusoidal input signal and Gain = 0, i.e. SHNU-prototype.
На фиг.11 показана осциллограмма выходного напряжения ШНУ фиг.10 в увеличенном масштабе (Gain=0).In Fig.11 shows the waveform of the output voltage of the SHNU Fig.10 on an enlarged scale (Gain = 0).
На фиг.12 представлена осциллограмма выходного напряжения схемы ШНУ фиг.9 при Gain=0.01 См.On Fig presents a waveform of the output voltage of the circuit of the power cable of Fig.9 with Gain = 0.01 See
На фиг.13 показана осциллограмма выходного напряжения ШНУ фиг.12 в увеличенном масштабе при Gain=0.01 См.On Fig shows the waveform of the output voltage of the SHNU Fig.12 on an enlarged scale at Gain = 0.01 See
На фиг.14 приведена осциллограмма фиг.13 выходного напряжения схемы фиг.9 в увеличенном масштабе при Gain=0.1 См.On Fig shows the waveform of Fig.13 of the output voltage of the circuit of Fig.9 on an enlarged scale at Gain = 0.1 See
На фиг.15 показана осциллограмма выходного напряжения схемы фиг.9 при Gain=l См.On Fig shows the waveform of the output voltage of the circuit of Fig.9 with Gain = l See
На фиг.16 представлена осциллограмма фиг.15 выходного напряжения в увеличенном масштабе при Gain=1 См. Из данного графика следует, что предлагаемое схемотехническое решение фиг.9 компенсирует существенные нелинейные искажения, обусловленные неинвертирующим выходным каскадом 1.On Fig presents the waveform of Fig.15 of the output voltage on an enlarged scale at Gain = 1 See. From this graph it follows that the proposed circuit solution of Fig.9 compensates for significant nonlinear distortion due to
На фиг.17 показана схема ШНУ фиг.4 с заведомо большой зоной нечувствительности в выходном неинвертирующем каскаде 1, которая использовалась для моделирования в среде PSpice спектра выходного сигнала заявляемого устройства.On Fig shows a diagram of the SHNU figure 4 with a deliberately large dead zone in the
На фиг.18 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=0 и при входном напряжении uвх=U3(in)=3В с частотой F(in)=10кГц. Фактически распределение гармоник фиг.18 соответствует свойствам ШНУ-прототипа.On Fig shows the spectrum of the output voltage of the circuit SNU Fig.17 with the value of the slope of the
На фиг.19 приведен спектр выходного напряжения схемы ШНУ фиг.17 при значении крутизны корректирующего каскада 11 G1=5 См и входном напряжении uвх=U3(in)=3В с частотой F(in)=10кГц.Fig. 19 shows the spectrum of the output voltage of the power supply circuit of Fig. 17 for the slope of the
Сравнение графиков фиг.18 и фиг.19 показывает, что амплитуды третьей, пятой и седьмой гармоник в заявляемой схеме ШНУ фиг.17 уменьшаются более чем в 1000 раз.A comparison of the graphs of FIG. 18 and FIG. 19 shows that the amplitudes of the third, fifth and seventh harmonics in the inventive SNU circuit of FIG. 17 are reduced by more than 1000 times.
Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов (фиг.4) содержит неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1. Между входом 2 и выходом 6 устройства включены последовательно соединенные инвертирующий буферный усилитель 7, второй 8 и третий 9 дополнительные резисторы, причем общий узел 10 второго 8 и третьего 9 дополнительных резисторов подключен ко входу корректирующего каскада 11, токовый выход которого 12 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1.A broadband non-inverting amplifier with a low level of non-linear distortion and noise (Fig. 4) contains a
На фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 11 используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.In Fig. 4, in accordance with
Кроме этого, на фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 11 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями. На практике маломощный и неискажающий сигнал буферный усилитель 7 реализуется на основе каскада с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3) [16, 17].In addition, in figure 4, in accordance with
Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.4, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в неинвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений uош с частотой третьей гармоники 30 кГц.Consider the factors that determine the level of nonlinear distortion and noise in the inventive device of figure 4, in which the unwanted spectral components due to nonlinearities in the
Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 связан, во-первых, с выделением в узле 10 сигнала ошибки u10~uош, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих uош на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой 30 кГц):The physical meaning of the noise suppression effect in the broadband amplifier of Fig. 4 is associated, firstly, with the allocation of an error signal u 10 ~ u os at
При этом следует заметить, что в узле 10 отсутствует входной усиливаемый сигнал uвх с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 10 двух его противофазных составляющих uc=-uвх и uвых.It should be noted that in
Выделенная таким образом ошибка u10≈uош/2 вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 11 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение uош, генерируемое этим выходным каскадом.Dedicated thus error u 10 ≈u oui / 2 is introduced (due to the resistor 4) in the input circuit of the
Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 11 (S11=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений uош полностью передается в нагрузку 5. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 6 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 30 кГц имеет амплитуду uвых=1 мВ.Let us further consider the simulation results of Fig.6 and Fig.7. At zero slope of the signal transmission in the correcting stage 11 (S 11 = G = 0), the voltage of the noise and spectral components of non-linear distortion u osh is completely transmitted to load 5. This is evidenced by the ratio of the amplitudes of the harmonics at output 6 (Fig.6): output voltage with frequency of 30 kHz has an amplitude u out = 1 mV.
При введении цепи коррекции 11, имеющей крутизну S11=1 См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.4 с частотой 30 кГц уменьшается в 500 раз с 1 мВ до 2,3 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления uош достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S11 обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно. Аналогичные выводы можно сделать и в результате сравнения амплитуд выходных гармоник ШНУ фиг.18 и фиг.19 - в предлагаемой схеме все паразитные гармоники уменьшаются более чем в 1000 раз.With the introduction of
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по уровню подавления нелинейных искажений и шумов. Кроме этого, как показывает моделирование, предлагаемая структура широкополосного усилителя позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения
Источники информацииInformation sources
1. Патент US 5.241.283 fig.6.1. Patent US 5.241.283 fig. 6.
2. Патентная заявка US 2004/0080371.2. Patent application US 2004/0080371.
3. Патентная заявка US 2006/0132238.3. Patent application US 2006/0132238.
4. Патент JP 10242777.4. Patent JP 1,024,2777.
5. Патент US 4.607.235.5. Patent US 4.607.235.
6. Патентная заявка US 2006/0087369 fig. 6.6. Patent application US 2006/0087369 fig. 6.
7. Патентная заявка US 2006/0220590.7. Patent application US 2006/0220590.
8. Патент US 4.335.359.8. Patent US 4.335.359.
9. Патент US 4.510.458.9. Patent US 4,510.458.
10. Патент US 5.237.526 fig. 2 В.10. Patent US 5.237.526 fig. 2 V.
11. Патентная заявка US 2005/0122170.11. Patent application US 2005/0122170.
12. Патентная заявка US 2005/0035821.12. Patent application US 2005/0035821.
13. Патент US 6.107.884 fig. 2.13. Patent US 6.107.884 fig. 2.
14. Патент US 5.225.791.14. Patent US 5.225.791.
15. Патентная заявка US 2002/00057592.15. Patent application US 2002/00057592.
16. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография / Н.Н.Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.16. Nonlinear active correction in precision analog microcircuits: monograph / NN Prokopenko. - Rostov-on-Don: Publishing House of the North Caucasian Scientific Center of Higher Education, 2000. - 222 p.
17. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С. Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.17. Architecture and circuitry of high-speed operational amplifiers: monograph / N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov. - Mines: Publishing House of SRUES, 2006. - 231 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013116925/08A RU2534972C1 (en) | 2013-04-12 | 2013-04-12 | Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013116925/08A RU2534972C1 (en) | 2013-04-12 | 2013-04-12 | Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013116925A RU2013116925A (en) | 2014-10-20 |
RU2534972C1 true RU2534972C1 (en) | 2014-12-10 |
Family
ID=53285727
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013116925/08A RU2534972C1 (en) | 2013-04-12 | 2013-04-12 | Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2534972C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5512859A (en) * | 1994-11-16 | 1996-04-30 | National Semiconductor Corporation | Amplifier stage having compensation for NPN, PNP beta mismatch and improved slew rate |
RU2209504C2 (en) * | 1997-01-27 | 2003-07-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | High-dynamic-range variable-gain amplifier |
RU2427071C1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
RU2475942C1 (en) * | 2012-02-01 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband differential amplifier |
-
2013
- 2013-04-12 RU RU2013116925/08A patent/RU2534972C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5512859A (en) * | 1994-11-16 | 1996-04-30 | National Semiconductor Corporation | Amplifier stage having compensation for NPN, PNP beta mismatch and improved slew rate |
RU2209504C2 (en) * | 1997-01-27 | 2003-07-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | High-dynamic-range variable-gain amplifier |
RU2427071C1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-08-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
RU2475942C1 (en) * | 2012-02-01 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband differential amplifier |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013116925A (en) | 2014-10-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8610486B1 (en) | Current-mode analog computational circuit | |
Ouzounov et al. | A CMOS VI converter with 75-dB SFDR and 360-/spl mu/W power consumption | |
Mallek et al. | A fully-differential regulated telescopic operational transconductance amplifier | |
Gupta et al. | Voltage differencing buffered amplifier based voltage mode four quadrant analog multiplier and its applications | |
RU2534972C1 (en) | Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion | |
RU2527202C1 (en) | Broadband power amplifier | |
Jeon et al. | A CMRR Enhancement Circuit Employing Gₘ-Controllable Output Stages for Capacitively Coupled Instrumentation Amplifiers | |
RU2331964C1 (en) | Voltage-to-current converter | |
Boonchu et al. | A new NMOS four-quadrant analog multiplier | |
GB2619604A (en) | Circuitry for measurement of electrochemical cells | |
RU2536378C2 (en) | Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise | |
RU2390919C1 (en) | Controlled ac amplifier | |
RU2568317C1 (en) | Broadband bias circuit of static level in transistor stages of amplification and conversion of signals | |
KELEŞ et al. | Four quadrant FGMOS analog multiplier | |
RU2579127C1 (en) | Operational amplifier based broadband converter for converting n-current input signals into voltage | |
RU2513489C2 (en) | Multi-differential operational amplifier | |
Jin et al. | Deep neural network based behavioral model of nonlinear circuits | |
RU2292636C1 (en) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation | |
RU2662793C2 (en) | Linear current-to-voltage converter | |
Kupreyev et al. | Programmable Gain, Temperature Compensated Logarithmic Amplifier based on Current Conveyor and OTA | |
RU2439779C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier with paraphase output | |
RU2332782C1 (en) | Differential amplifier with increased attenuation of common-mode signal | |
RU2389072C1 (en) | Analog multiplier of two signals | |
Groza et al. | Current-mode log-domain programmable gain amplifier | |
Mehta et al. | FGMOS Based Low Power Analog Subtractor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150413 |