Високолінійний двотактний підсилювач-масштабатор струму на біполярних транзисторах із заземленим навантаженням

Abstract

Зазвичай переважна більшість електричних підсилювальних пристроїв побудована на базі підси- лювачів напруги або струму з виходом по напрузі. Вони застосовуються як складові в АЦП і ЦАП, а також в інформаційно-вимірювальних та системах реєстрації, генераторах сигналів у системах прямого цифрового синтезу. Це пов’язано з добре відпрацьованою теорією й практикою проектуван- ня таких підсилювачів. Водночас у деяких випадках доцільніше мати операційні підсилювачі з виходом по струму, що можуть працювати із заземленим навантаженням. Використано методи структурної організації двотактних високолінійних балансних підсилювачів постійного струму, а також побудови масштабаторів струму із заданим коефіцієнтом передачі на біполярних транзисторах. Запропоно- вано побудову керованих генераторів струму із заземленим навантаженням здійснювати на основі двотактного підсилювача і відбивачів струму, включених у коло від’ємного зворотного зв’язку на бі- полярних транзисторах. Такий підхід є новим, практично не розглянутим у науково-технічній літе- ратурі, тому поставлена задача створення високолінійних двотактних підсилювачів-масштабато- рів струму на біполярних транзисторах із заземленим навантаженням є актуальною. Проаналізо- вано новий метод побудови керованих генераторів струм-струм, реалізованих на біполярних тран- зисторах, в якому від’ємний зворотний зв’язок базується на знятті по струму за допомогою відби- вачів струму. Наведено математичні вирази для розрахунку коефіцієнта передачі струму, а також вихідного опору схеми на основі характеристик та малосигнальних моделей елементів. Отримано математичні вирази, що дозволяють задавати значення коефіцієнтів підсилення струму Kni та визначити вихідний опір ППС. Здійснено комп’ютерне моделювання характеристик ППС, резуль- тати якого підтверджують можливість їх використання у високоточних електронних схемах, зок- рема у багаторозрядних (n = 16…20 розрядів) АЦП і ЦАП.

Traditionally, the vast majority of electrical amplifying devices are based on voltage or current amplifiers with voltage output. They are used as elements in the ADC and DAC, as well as in information-measuring and recorded systems, signal generators in direct digital synthesis systems. This is due to the well-established theory and practice of designing such amplifiers. At the same time, in some cases it is more expedient to have operational amplifiers with current output, which can work with a grounded load. Mentioned modern devices and systems are built using integrated circuits. It should be born in mind that most of the parasitic parameters of these circuits are capacitances, and the voltage according to the second switching law cannot jump abruptly on the capacitance, then the speed of the amplifying devices can be greater if all operations on the signals are performed using current amplifiers rather than voltage amplifiers. Therefore, to maximize the use of the frequency properties of bipolar transistors, it should be used as a current amplifier. A controlled current generator can be quite easily obtained on the basis of an operational amplifier by including loads in the feedback circuit, but in this case it cannot be grounded, which narrows its capabilities. It is proposed that controlled current generators with a grounded load are to be constructed on the basis of a push-pull amplifier and current mirrors included in the negative feedback circle on bipolar transistors. However, this approach is new, almost not considered in the scientific and technical literature, therefore the topic of the article devoted to the creation of highly linear push-pull amplifiers — current scalers on bipolar transistors with a grounded load is relevant. A new method for constructing controlled current-tocurrent generators implemented on bipolar transistors is analyzed, in which negative feedback is based on the removal of current using current mirrors. Mathematical expressions are obtained that make it possible to set the values of current amplification factors and determine the output resistance of a DC amplifier. Computer simulation of the characteristics of a DC amplifier was carried out, the results of which confirm the possibility of their use in high-precision electronic circuits, in particular in multi-bit (n = 16…20) ADCs and DACs.

Традиционно подавляющее большинство электрических усилительных устройств построено на базе уси- лителей напряжения или тока с выходом по напряжению. Они применяются как элементы в АЦП и ЦАП, а также в информационно-измерительных и регистрируемых системах, генераторах сигналов в системах прямого цифрового синтеза. Это связано с хорошо отработанной теорией и практикой проектирования таких усилителей. В то же время в ряде случаев целесообразнее иметь операционные усилители с выходом по току, которые могут работать с заземленной нагрузкой. Упомянутые современные устройства и систе- мы строят с применением интегральных схем. При этом следует учитывать, что большую часть паразит- ных параметров этих схем представляют собой емкости, а напряжение, согласно второму закону коммута- ции, скачком на емкости измениться не может, поэтому быстродействие усилительных устройств может быть больше, если все операции над сигналами будут выполняться с помощью усилителей тока, а не усили- телей напряжения. Следовательно, для максимального использования частотных свойств биполярных тран- зисторов, его следует применить как усилитель тока. Управляемый генератор тока можно достаточно легко получить на базе операционного усилителя, включив нагрузки в цепь обратной связи, но в этом случае его нельзя заземлить, что сужает его возможности. Предложено построение управляемых генераторов тока с заземленной нагрузкой осуществлять на основе двухтактного усилителя и токовых зеркал, включенных в цепь отрицательной обратной связи на биполярных транзисторах. Такой подход является новым, практиче- ски не рассмотренным в научно-технической литературе, поэтому тема статьи, посвященная созданию высоколинейных двухтактных усилителей масштабаторов тока на биполярных транзисторах с заземлен- ным нагрузкой является актуальной. Проанализирован новый метод построения управляемых генераторов ток-ток, реализованных на биполярных транзисторах, в котором отрицательная обратная связь базируется на снятии по току с помощью токовых зеркал. Приведены математические выражения для расчета коэффи- циента передачи тока, а также выходного сопротивления схемы на основе характеристик и малосигнальных моделей элементов. Получены математические выражения, позволяющие задавать значения коэффициентов усиления тока Kni и определить выходное сопротивление УПТ. Осуществлено компьютерное моделирование характеристик УПТ, результаты которого подтверждают возможность их использования в высокоточных электронных схемах, в частности в многоразрядных (n = 16…20) АЦП и ЦАП.