Полевой транзистор компенсирует искажения в повторителе

За долгие годы, прошедшие с момента изобретения повторителя, было предложено множество улучшений его схемы. «Белый» катодный повторитель удвоил выходной ток и сделал передаточную функцию более линейной [1]. Добавление усилительного каскада с общей базой (токового повторителя) значительно улучшило коэффициент подавления пульсаций питания Белого повторителя [2].

Следующий шаг сделали инженеры корпорации Pioneer Electronic, применив идею Белого повторителя к паре последовательно соединенных повторителей. Предпосылкой к созданию в Pioneer Electronic суперлинейной схемы (Super Linear Circuit – SLC) повторителя была идея сделать так, чтобы нелинейность передаточной функции первого транзистора компенсировалась противоположной нелинейностью включенного последовательно второго транзистора [3].

Рисунок 1.	Повторитель на полевом транзисторе с управляющим переходом, дополненный токовым зеркалом на транзисторах Q2 и Q4, обеспечивает подавление искажений при надлежащем выборе сопротивления резистора RS.

На Рисунке 1 представлено еще одно улучшение – повторитель на полевом транзисторе с компенсацией искажений. Напряжение истока транзистора Q1 воспроизводит входное напряжение, а затем управляет базой Q3. Оба транзистора Q1 и Q3 питают током нагрузку R_L. Благодаря действию токового зеркала (Q2-Q4) ток истока Q1 равен току коллектора Q3. Сумма тока истока транзистора Q1 и коллекторного тока транзистора Q4 равна:

где

V_IN – входное напряжение,
V_GS – напряжение затвор-исток транзистора Q1,
V_BE – напряжение база-эмиттер транзистора Q3.

Поскольку проводимость транзистора Q3 конечна, его эмиттерный ток (или ток нагрузки) будет модулировать его напряжение база-эмиттер. Напряжение затвор-исток транзистора Q1 может модулироваться таким же образом путем добавления к SLC резистора R_S. При определенном значении R_S модуляция V_BE будет компенсирована такой же модуляцией V_GS. Подобный механизм подавления искажений действует в усилительном каскаде на одном полевом транзисторе с общим истоком [4].

На Рисунке 2 показаны результаты измерений в этой схеме общих гармонических искажений плюс шума (THD+N) для трех значений R_L при изменении R_S. Улучшение довольно значительное: для сигнала 1 В с.к.з. искажения составляют менее 103 дБ.

Рисунок 2.	Для трех сопротивлений нагрузки, использованных в этих измерениях при входном сигнале 1 В с.к.з,, уровень THD+N при оптимальном значении RS остается ниже 103 дБ.

Еще один способ управления состоянием баланса схемы – изменение коэффициента передачи токового зеркала. Рисунок 3 демонстрирует, как смещается кривая зависимости THD+N от R_S при различных отношениях R3/R4. В этом случае ток истока Q1 является частью тока эмиттера Q3. Это может быть полезным, когда ток покоя транзистора Q1 определяется, исходя из других соображений, например, для улучшения шумовых характеристик.

Рисунок 3.	При изменении отношения R3/R4 требуемое оптимальное сопротивление резистора RS также меняется.

Из-за регенеративной обратной связи емкость в нагрузке эмиттера Q3 приведет к возникновению высокочастотных пиков внутри контура. Поэтому емкостная нагрузка изолирована резистором R5, и, кроме того, может потребоваться какая-то частотная коррекция (C1). Резистор R6 сопротивлением 100 кОм представляет входное сопротивление системы.

Рисунок 4.	Линейная зависимость между выходным током и входным сигналом позволяет преобразовать схему так, чтобы она имела вид усилителя с линейной передаточной функцией.

Линейная зависимость между падением напряжения на R_L и входным напряжением означает, что зависимость выходного тока от входного сигнала также линейна. Поэтому схема Рисунка 1 может быть преобразована к виду усилителя с линейной передаточной функцией (Рисунок 4).

Ссылки

1. White, E.L.C., “Thermionic Valve Amplifier Circuit Arrangements,” U.S. patent 2358428, Sept. 19, 1944.
2. Taylor, P.L., “Audio Power Amplifier,” Wireless World, June 1973, p. 301.
3. Ozawa, O., and Ishikawa, K., “Super Linear Circuit,” 60th AES Convention, May 1980, Preprint No. 1660, pp 1-38.
4. Designing With Field-Effect Transistors, ed. by A.D. Evans, McGraw-Hill, New York, 1981, Ch. 3-11, “Distortion in FET Amplifiers.”

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor BC850
2. Datasheet ON Semiconductor BC860
3. Datasheet NXP BF862