Усилитель мощности

 

Использование: в радиотехнике и электросвязи в качестве усилителя низкочастотных сигналов с питанием от низковольтных автономных источников постоянного тока, Сущность изобретения: в усилитель содержащий последовательно соединенные первый и второй двухтактные каскады усиления тока на первом, втором и третьем транзисторах , включенных по схеме с общим коллектором , введены дополнительный каскад усиления напряжения, выполненный на пятом транзисторе, включенном по схеме с эмиттером, и две цепи вольтдобавки, выходы которых соединены с регистрами, включенными в цепи эмиттеров третьего и четвертого транзисторов, а входы -с соединенными эмиттерами первого и второго транзисторов . 1 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)к Н 03 F 3/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 (21) 4899794/09 (22) 08,01.91 (46) 07.04.93, Бюл. N 13 (71) Самарский электротехнический институт связи (72) В.В.Иванютин (56) Радио, 1987, N 2, с. 27, (54) УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (57) Использование: в радиотехнике и электросвязи в качестве усилителя низкочастотных сигналов с питанием от низковольтных автономных источников постоянного тока.

Сущность изобретения: в усилитель содерИзобретение относится к радиотехнике и усилительным устройствам и может быть использовано в качестве усилителя низкочастотных сигналов в устройствах с питанием от ни ковольтных автономных источников постоянного тока, например портативных радиоприемных и звуковоспроизводящих устройствах.

Цель изобретения — уменьшение нелинейных искажений при питании усилителя от низковольтного источника постоянного тока и увеличение значения коэффициента использования напряжения питания, Электрическая принципиальная схема объекта изобретения и риведена на чертеже, Усилитель содержит первый, второй, третий и четвертый биполярные транзисторы 1 — 4, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы 5 — 9, первый и второй конденсаторы .10 и 11. В усилитель введены пятый транзистор 12, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы 13—

17, а также третий конденсатор 18. Первый

„„ А „„1807551 А1 жащий последовательно соединенные первый и второй двухтактные каскады усиления тока на первом, втором и третьем транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором, введены дополнительный каскад усиления напряжения, выполненный на пятом транзисторе, включенном по схеме с эмиттером, и две цепи вольтдобавки, выходы которых соединены с регистрами, включенными в цепи эмиггеров третьего и четвертого транзисторов, а входы — с соединенными эмиттерами первого и второго транзисторов, 1 ил. каскад усилителя выполнен на транзисторах 1 и 2, включенных по схеме с общим коллектором. Между эмиттером транзистора 1 и первой шиной питания включены соединенные последовательно резисторы 5 и

6, а в цепь эмиттера транзистора 2 включен резистор 7. Второй каскад выполнен на транзисторах 3 и 4, включенных также по схеме с общим коллектором. Эмиттер транзистора 1 соединен с базой транзистора 3 через резистор 8, а эмиттер транзистора 2— с базой транзистора 4 через резистор 9, Эмиттеры транзисторов 3 и 4 объединены, причем эмиттер транзистора 3 соединен через конденсатор 10 с точкой соединения резисторов 5 и 6, а эмиттер транзистора 4 . через конденсатор 11 — со вторым выводом резистора 7, Дополнительный третий каскад выполнен на транзисторе 12, включенном по схеме с общим эмиттером относительно второй (общей) шины питания усилителя, Этот транзистор имеет такую же структуру, как и

1807551 транзистор 2. Точка соединения эмиттеров транзисторов 3 и 4 соединена с цепью, выполненной на последовательно соединенных резисторах 15 и 16 и конденсаторе 18, свободный вывод которого является входом усилителя. Между коллектором транзистора

12 и точкой соединения резисторов 5 и 6 включены последовательно соединенные резисторы 13 и 14. При этом точка соединения коллектора транзистора 12 и резистора

13 соединена с базой транзистора 1, точка соединения резисторов 13 и 14 соединена с базой транзистора 2, точка соединения резисторов 15 и 16 соединена с базой транзистора 12 и через десятый резистор 17 со второй шиной питания, Точка соединения конденсатора 11 и резистора 7 является выходом усилителя мощности, .Нагрузка усилителя должна иметь малое сопротивление для постоянного тока.

Транзисторы 1 — 4 являются активными элементами усилителя мощности. обеспечивающими усиление тока и низкое значение выходного сопротивления усилителя.

Резисторы 8 и 9 используются для уменьшения усиления в области частот от десятков до сотен мегагерц, Это необходимо для предотвращения самовозбуждения эмиттерных повторителей, выполненных на транзисторах 1 и 2. Оно возможно из-за достаточно больших емкостей база-коллектор транзисторов 3 и 4, нагружающих указанные змиттерные повторители.

Резисторы 5 и 7 обеспечивают протекание TQK08 покоя транзисторов 1 и 2. Сопротивления этих резисторов обычно выбираются в диапазоне от сотен ом до единиц килоом и определяют значения указанных токов покоя.

Резистор 6 и нагрузка усилителя (на схеме не показана и подключена к выходу усилителя мощности) вместе с конденсаторами

10 и 11 образуют две так называемые цепи вольтдобавки. используемые для увеличения максимального значения выходного напряжения усилителя, при котором нелинейные искажения сигнала еще достаточно малы, Сопротивления этих элементов обычно выбираются в пределах от 0,1 до 0,5 значений сопротивлений резисторов 5 и 7 и, поэтому от их значения также зависят значения токов покоя транзисторов 1 и 2. Кроме того, конденсатор 11 выполняет функцию разде-. лительного элемента, предотвращающего протекание через нагрузку усилителя постоянного тока транзистора 3. Реактивное сопротивление указанного конденсатора на нижней частоте спектра сигнала должно быть в несколько раз ниже сопротивления нагрузки усилителя.

Транзистор 12 с конденсатором 18 и резисторами 13-17 образуют каскад, обеспечивающий усиление напряжения и позволяющий в результате введения в усилителе отрицательной обратной связи значительно (e несколько десятков раз) уменьшить значение коэффициента гармоник, При этом транзистор 12 является активным элементом, резистор 14 обеспечивает протекание его

"0 тока покоя, резисторы 15 и 16 — введение отрицательной обратной связи по постоянному и по переменному току, Отношение. сопротивлений резисторов 15 и 16 определяет значение коэффициента усиления напряжения усилителя с обратной связью, а конденсатор 18 является разделительным и имеет на нижней частоте спектра сигнала сопротивление. которое в несколько раз ниже сопротивления резистора 16.

20 Резистор 14 подключен одним из выводов к соединенным выводам резисторов 5 и

6 для увеличения значения коэффициента усиления каскада, выполненного на транзисторе 12. и увеличении максимального не-.

25 искаженного значения его выходного напряжения. Это обеспечивается использованием выходного напряжения цепи вольтдобавки, содержащей конденсатор 10.

Резистор 13 используется для получе30 ния напряжения, которое вводится между базами транзисторов 1 и 2, и обеспечивает уменьшение постоянного напряжения, приложенного между базами транзисторов 3 и

4, и уменьшение токов покоя этих транзи35 сторов. Сопротивление резистора 13 обычно выбирается таким, что ток покоя транзистора 12 создает на нем падение напряжения, не превышающее 100 мВ, В результате введения резистора 13 в усилитель

40 оказывается возможным установить малые и стабильные значения токов покоя транзисторов 3 и 4 при использовании транзисторов 3 и 4 при использовании транзисторов

1 и 2 более маломощных, чем 3 и 4, В изве45 стном же усилителе-прототипе транзисторы

1 — 4 имеют близкие значения площадей р-ипереходов для обеспечения стабильности токов покоя транзисторов 3 и 4, В том случае, когда все транзисторы

50 усилителя кремниевые, при включении питания в результате действия отрицательной обратной связи по постоянномутоку на базе транзистора 12 устанавливается постоянное напряжение порядка 0,7 В, На соединенных эмиттерах транзисторов 3 и 4 устанавливается напряжение, большее чем

0,7 В в количество раз, близкое к отношению суммы сопротивлений резисторов 15 и 17 к сопротивлению резистора 17, При эт м ток покоя транзистора 12 имеет знг :ение, 1807551 близкое к отношению разности напряжения питания и напряжения эмиттеров транзисторов 3 и 4 к сопротивлению резистора 14, Ток покоя базы транзистора 12 протекает только через резистор 17, а токи покоя эмиттеров транзисторов 1 и 2 — только через резисторы 3 и 7, Напряжения эмиттер-база кремниевых транзисторов 1 — 4 обычно лежат в диапазоне 0,6...0,7 В, При подключении на вход усилителя источника напряжения сигнала

10 через конденсатор 18 и резистор 16 протекает переменный ток, значение которого несколько больше переменного тока обратной связи, протекающего через резистор 15, Разность укаэанных токов поступает в базу

15 транзистора 12 и дает на выходе каскада, выполненного на этом транзисторе, напряжение, близкое к входному напряжению по

20 форме, но инвертированное и имеющее большее амплитудное значение. Это напряжение передается на выход усилителя через сложный повторитель напряжения, выполненный на транзисторах 1-4. При этом на

25 верхний по схеме вывод резистора 5 и нижний вывод резистора 7 поступают напряжения вольтдобавок, имеющие амплитудные разомкнутой цепи обратной связи и уменьшение нелинейных искажений при замкнутой вследствие увеличения эквивалентных значений сопротивлений нагрузок транзисторов 12, 1 и 2. Увеличение сопротивлений нагрузок связано с тем, что по отношению к общей шине к выводам резисторов 14,5 и 7 приложены синфазные переменные напряжения с близкими амплитудными значения35

40 ми, Поэтому токи указанных резисторов имеют переменные составляющие, значения которых so много раз меньше средних значений этих токов.

Переменное напряжение нагрузки усилителя служит в нем напряжением вольтдобавки для эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе 2. При использовании усилителя следует учитывать тот факт, что его входное сопротивление

50 имеет значение, близкое к сопротивлению резистора 16, Сопротивления резисторов 5 и 7 следует выбирать порядка 0,1 от значения сопротивления нагрузки, умноженного на значения коэффициентов усиления тока транзисторов 3 и 4 в схеме с общим эмиттером, Сопротивление резистора 14 может быть в 10„,20 раз выше меньшего из значений сопротивлений резисторов 5 и 7.

Был выполнен макетный образец объекта изобретения, рассчитанный на работу от значения выходного напря>кения усилителя, Они обеспечивают увеличение коэффициента усиления напряжения усилителя при 30 источника постоянного тока с напряжением

3 В. В качестве транзисторов 3 и 4 были использованы транзисторы КТ817Б и

КТ816Б, а в качестве транзисторов 1,2 и

12-КТ361Б, КТ315Б и КТ3102Е, Максимальное амплитудное значение выходного напряжения усилителя при нагрузке с сопротивлением 50 Ом было равно

1,3 В, Значение коэффициента гармоник при амплитудном значении выходного напряжения 1 В не превышало 0,5% даже при коэффициентах усиления тока транзисторов

1 — 4, не превышающих 50.

По отношению к прототипу объект изобретения имеет преимущество, заключающееся в том, что при малом напряжении питания коэффициент использования напряжения питания 0,43 и близок к предельному значению, равному 0,5, Кроме того, он имеет малое значение коэффициента гармоник и обеспечивает усиление напряжения без использования операционного усилителя, введение которого в усилитель ведет к уменьшению коэффициента использования напряжения питания и к ограничению сверху спектра частот усиливаемых сигналов.

Предполагается использовать объект изобретения в портативном радиоприемнике, который разработан в КЭИС для выпуска на одном из предприятий Самары.

В настоящее время наиболее распространенными в новых малогабаритных радиоприемниках с питанием от батарей, имеющих малое напряжение, являются бестрансформаторные усилители с выходными каскадами, в которых оба последних комплементарных транзистора включены по схеме с общим эмиттером, В качестве базового обьекта для сравнения может быть взят усилитель мощности радиоприемника

"Вега 341". Указанный усилитель содержит

7 транзисторов и питается от батареи с напряжением 6 В, При напряжении питания 3

В он практически неработоспособен, так как при этом его коэффициент гармоник близок к 50%.

Его существенным недостатком по сравнению с изобретением является необходимость использования для питания четырех батарей напряжением 1,5 В вместо двух. Кроме того, известный усилитель содер>кит большее количество транзисторов и резисторов, а также два диода и переменный резистор, не обладающий высокой надежностью.

В малогабаритных приемниках более ранних выпусков применяются усилители мощности с трансформаторами, которые также можно использовать в качестве базовых обьектов. Их существенным недостат1807551 од

Вхо ком я ляется наличие трансформаторов. которые недостаточно надежны, имеют сравнительно высокую трудоемкость изготовления и стоимость. ограничивают диапазон частот усиливаемых сигналов сверху и снизу. Недостатком таких усилителей является также выход их из строя при случайном изменении полярности напряжения питания.

Формула изобретения

Усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные первый и второй двухтактные каскады, при этом первый каскад выполнен на первом и втором транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором имеющйх разную структуру, между эмиттером первого транзистора и соответствующей шиной питания включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, а в цепь эмиттера второго транзистора включен третий резистор, второй каскад выполнен на третьем и четвертом транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором, имеющих разные структуры, причем эмиттер первого транзистора соединен с базой третьего транзистора через четвертый резистор, змиттер второго транзистора — с базой четвертого транзистора через пятый резистор, эмиттеры третьего и четвертого транзисторов объединены, эмиттер третьего транзистора соединен через первый конденсатор с точкой соединения первого и второго резисто.ров, эмиттер четвертого транзистора соединен через второй конденсатор с одним из выводов третьего резистора, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений при питании от низ5 ковольтного источника постоянного тока и увеличения значения коэффициента использования напряжения питания, введены дополнительный каскад, выполненный на пятом транзисторе, включенном по схеме с

10 общим эмиттером, имеющем структуру такую же, как и у второго транзистора, а также шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы и третий конденсатор, причем точка соединения эмиттеров третьего и

15 четвертого транзисторов соединена с цепью, выполненной на последовательно соединенных восьмом и девятом резисторах и третьем конденсаторе, соответствующий вывод которого является входом

20 усилителя мощности, а между коллектором пятого транзистора и точкой соединения первого и второго резисторов включены последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы, причем точка соединения

25 коллектора пятого транзистора и шестого резистора соединена с базой первого транзистора, а точка соединения шестого и седьмого резисторов соединена с базой второго транзистора, точка соединения восьмого и

30 девятого резисторов соединена с базой пятого транзистора и через десятый резистор с шиной питания, точка соединения второго конденсатора и третьего резистора является выходом усилителя мощности.