Основанный на топологии микросмесителя Барри Гилберта [1], этот усилитель позволяет преобразовывать несимметричный вход в токовый выход класса A/B при питании от одного источника.
В показанной на Рисунке 1 схеме, реализованной в LTspice, используются 6 биполярных транзисторов в уникальной конфигурации, которая «направляет» выходной ток от Q3 и Q4 в зависимости от полярности входного сигнала.
 |
|
| Рисунок 1. | Созданная в LTspice схема топологии микромесителя с 6 биполярными транзисторами, включенными таким образом, что выходные токи транзисторов Q3 и Q4 зависит от полярности входного сигнала. |
Как это работает
C1 служит развязывающим конденсатором, который позволяет потенциалу базы транзистора Q1 отличаться от смещения VBE при диодном включении Q1. Транзистор Q2 действует как зеркало транзистора Q1 для положительных входных сигналов и отсекает большие отрицательные входные сигналы, в то время как Q3 является каскодом для слабых сигналов и служит источником для больших отрицательных вытекающих входных токов.
При идеально одинаковых размерах транзисторов все коллекторные токи равны и определяются суммой напряжений база-эмиттер транзисторов Q5 и Q6, которые задаются током IBIAS через резистор R3.
Когда входной сигнал большой и положительный, входной ток протекает в основном через транзистор Q1, который действует как управляемый напряжением источник тока и каскодное устройство, а Q3 переходит в режим отсечки по мере роста его эмиттерного напряжения. Q2 «зеркально отражает» ток коллектора Q1 через каскодное устройство Q4, которое поглощает копию большого положительного входного тока, формируя сигнал положительного выхода.
Большие входные сигналы
При больших отрицательных входных сигналах весь входной ток поступает от транзистора Q3, поскольку напряжение на его эмиттере падает, и транзистор Q1 переходит в режим отсечки, а коллектор Q3 отдает ток в отрицательный выход (Рисунок 2). Обратите внимание, что при больших положительных входных сигналах выходные токи «направляются» либо в транзистор Q4 (+), либо в Q3 (–), даже в случае неидеальных транзисторов.
 |
|
| Рисунок 2. | Моделирование в LTspice реакции дифференциального выхода на большие отрицательные входные сигналы. |
Входы при малых сигналах
Как показано на Рисунке 3, при меньших входных сигналах схема действует как малосигнальный усилитель класса A, поскольку все транзисторы работают с коллекторным током IBIAS. Таким образом, при нулевом входном токе через оба транзистора Q1 и Q3 проходит ток IBIAS, так же как и через транзисторы Q2 и Q4, и выход схемы работает как дифференциальный каскад.
 |
|
| Рисунок 3. | Моделирование в LTspice реакции дифференциального выхода на слабые отрицательные входные сигналы. |
Фактические результаты
 |
|
| Рисунок 4. | Фактические результаты работы схемы на Рисунке 1, полученные на DSO при синусоидальном входном сигнале размахом 2 В с частотой 1 кГц. |
На Рисунке 4 показаны фактические результаты работы схемы на Рисунке 1, полученные на цифровом запоминающем осциллографе (DSO) при синусоидальном входном сигнале размахом 2 В с частотой 1 кГц. На Рисунке 5 показаны результаты моделирования в LTspice схемы на Рисунке 1. Обратите внимание, что для удобства сравнения цвета и смещения графиков в LTspice и DSO были подобраны одинаковыми.
 |
|
| Рисунок 5. | Результаты моделирования в LTspice схемы на Рисунке 1, где для удобства сравнения цвета и смещения графиков были подобраны такими же, как в DSO. |
Также обратите внимание на небольшое «искажение типа ступенька», показанное на графиках DSO и LTspice – обычное для типичных каскадов класса A/B. Это можно улучшить, увеличив ток IBIAS за счет большей мощности, рассеиваемой усилителем.
Эта топология обеспечивает дополнительные возможности, помимо простого преобразования несимметричного сигнала в дифференциальный [1]. В ней динамический входной импеданс рассматривается как функция мгновенного уровня входного сигнала; это вопрос, который часто не затрагивается при обсуждении обычных усилителей.
Искажения, вызванные сигналом, начинаются с того, что эффективный входной импеданс усилителя изменяется с изменением динамического уровня сигнала и работает против импеданса источника, создавая зависящий от сигнала нелинейный делитель напряжения/мощности, который модулирует уровень входного сигнала.
Улучшение входного импеданса
На Рисунке 6 показан вариант схемы, в которой для улучшения зависимости входного импеданса от уровня входного сигнала добавлены дополнительные резисторы [2]. Обратите внимание на включение дополнительных резисторов, которые помогают сбалансировать изменения входного импеданса при больших размахах входного сигнала, сохраняя при этом одинаковое смещение коллекторного тока для каждого устройства, определяемое IBIAS.
 |
|
| Рисунок 6. | Усилитель с большим динамическим диапазоном и дополнительными резисторами, помогающими сбалансировать изменения входного импеданса при больших размахах входного сигнала, сохраняя при этом одинаковое смещение коллекторного тока для каждого устройства, определяемое IBIAS. |
Как показано на Рисунках 7 и 8, LTspice характеристики входного импеданса были получены путем вычисления производной входного напряжения по входному току, когда входной сигнал изменяется в большом диапазоне положительных и отрицательных значений.
 |
|
| Рисунок 7. | Малосигнальные характеристики пикового входного импеданса и выходного дифференциального тока. |
 |
|
| Рисунок 8. | Характеристики пикового входного импеданса и выходного дифференциального тока при большом сигнале ±10 В. |
Схема широкополосного усилителя с большим динамическим диапазоном, преобразующего несимметричный сигнал в дифференциальный
Эти схемы работают в «токовой области» и могут обеспечивать очень широкую полосу пропускания с большим динамическим диапазоном при низком рассеивании статической мощности от одного источника питания. В далеком прошлом автор реализовал это с помощью высокочастотных биполярных SiGe транзисторов в технологическом процессе BiCMOS и получил хорошие результаты.
Ссылки
- B. Gilbert, “The MICROMIXER: a highly linear variant of the Gilbert mixer using a bisymmetric Class-AB input stage,” in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 32, no. 9, pp. 1412-1423, Sept. 1997, doi: 10.1109/4.628753.
- Interesting Amplifier Topology
