Способ стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности и выходной каскад для его осуществления
Изобретение относится к широкополосным усилителям мощности. Технический результат заключается в уменьшении нелинейных искажений. Способ стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности, работающего в режиме В на комплементарных транзисторах, включенных по схеме с общим стоком, заключается в поддержании стабильным напряжения на стоке транзистора, относительно его истока, что снижает влияние комплексной динамической нагрузки, а также в соединении стоков транзисторов плеч каскада через источник тока на токозадающем резисторе, что обеспечивает рассасывание емкости сток-исток закрытого первого транзистора через токозадающий резистор током второго повторителя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Предлагаемые изобретения относятся к области электронной техники и могут быть использованы для построения высокоточных усилителей на транзисторах, не искажающих усиливаемый электрический сигнал звуковых и ультразвуковых частот. Изобретения могут быть использованы в технике звуковоспроизведения и могут упростить, удешевить аппаратуру с широкополосными устройствами усиления мощности.
Известны способ стабилизации напряжения в n-каскадном транзисторном усилителе и n-каскадный транзисторный усилитель для его осуществления (см. а.с. СССР №327568, опубл. в бюлл. "Открытия. Изобретения. Пром. образцы. Тов. Знаки ", 1972, 5).
Известный способ включает подключение базы одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, к нагрузке предыдущего каскада, совместное соединение баз всех других транзисторов с образованием общего управляющего электрода, подключение его к источнику питания через один общий элемент обратной связи.
В известном n-каскадном транзисторном усилителе каскады построены из pnp- и npn-транзисторов, соединенных эмиттерами, в коллекторы одного из транзисторов включены резистивные нагрузки, база одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада, базы всех других транзисторов соединены вместе, образуя общий управляющий электрод каскадов, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов.
Недостатком способа стабилизации напряжения в n-каскадном транзисторном усилителе и многокаскадного усилителя для его осуществления является появление нелинейных искажений выходного сигнала, так как для соединения каскадов требуется значительное количество вспомогательных элементов (RC-цепей), каждый из которых вносит нелинейные искажения при переходных процессах.
Известно, что качество полевого транзистора и, в частности, скорость его переключения зависит от возможности подавления эффекта Миллера, обусловленного существованием паразитной емкости Сзс, которая является отрицательной обратной связью между входом и выходом транзистора (см Б.Ю.Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов «Солон-Р». - М.: 2001 г., стр.69).
Полевой транзистор является усилительным каскадом, выходной сигнал которого снимается с нагрузки в цепи стока. В таком каскаде выходной сигнал будет сдвигаться по фазе относительно входного на 180°. Обратная связь Сзс настолько сильно уменьшает амплитуду выходного сигнала, что по отношению к нему входная емкость транзистора кажется больше, чем она есть на самом деле:
Свх=Cзи+(1+Ку)Сзс, где Ку=SRн - коэффициент усиления каскада;
S - силовая крутизна транзистора. Силовая крутизна S транзистора - это параметр, определяющий амплитуду выходного тока при заданном управляющем воздействии. Как правило, при схемной разработке транзистора необходимо учитывать возможность появления амплитудных искажений усиливаемого выходного сигнала, способных уничтожить положительные свойства полевого транзистора.
Качество структуры полевого транзистора тем выше, чем выше крутизна и меньше комплексная динамическая нагрузка на усилителе мощности звуковой частоты, в том числе меньше и паразитная динамическая емкость, возникающая только при усилении управляющего сигнала на выходных электродах транзистора.
Паразитная динамическая емкость зависит от коэффициента передачи и оказывает отрицательное влияние на стабилизацию напряжения. Если транзистор работает при коэффициенте усиления по напряжению, равном 1, то она практически не влияет на стабилизацию напряжения. Но если транзистор начинает работать при коэффициенте усиления по напряжению, большем 1, например, равном 100, то выходная паразитная динамическая емкость, умноженная на коэффициент усиления, возрастает в 100 раз и величина управляющего тока, требуемого на рассасывание этой динамической емкости, также возрастает в 100 раз.
Известны способ стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада усилителя мощности и выходной каскад усилителя мощности для его осуществления по патенту РФ №2094942, М.Кл.7: H 03 F 3/26, опубл. 27.10.97 г., выбранные в качестве ближайших аналогов-прототипов.
Известный способ стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада усилителя мощности включает установку опорного напряжения относительно точки соединения истока и резистора внутрикаскадной отрицательной обратной связи. На выходе каскада формируется потенциал, близкий по значению к входному, а через транзисторы первого, второго усилительных элементов протекает ток, стабилизируемый цепью отрицательной обратной связи, содержащий первый, второй линейные преобразователи напряжения в ток. Величина тока первого, второго усилительных элементов определяется величинами сопротивлений первого, второго, третьего, четвертого резисторов, токами элементов, а также соотношением площадей эмиттеров парно подобранных транзисторов первого, второго линейных преобразователей напряжения в ток и токами их токозадающих элементов.
Известный выходной каскад усилителя мощности содержит выходные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (стоком), имеющие истоковые (эммитерные) резисторы внутрикаскадной отрицательной обратной связи. Известный выходной каскад усилителя мощности также содержит первый, второй токозадающие элементы, первый, второй линейные, первый, второй нелинейные преобразователи напряжения в ток, первый, второй делители напряжения элементов обратной связи, включающие первый, второй и третий, четвертый резисторы соответственно, а также первый и второй шунтирующие элементы на конденсаторах, первые выводы которых соединены с неинвертирующими входами, а вторые выводы с выходами первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соответственно. Первый и второй элементы обратной связи выполнены в виде делителей напряжений на первом и четвертом резисторах соответственно, выводы первого и третьего резисторов соединены с неинвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток, а вторые выводы с инвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток соответственно.
Известные способ стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада усилителя мощности и выходной каскад усилителя мощности для его осуществления имеют следующие недостатки:
- значительные нелинейные искажения выходного сигнала при изменениях напряжения на выходных электродах транзисторов;
- отрицательное влияние комплексной динамической нагрузки на усилитель мощности звуковой частоты, искажение амплитудных и частотных параметров выходного сигнала в сравнении с параметрами на входе и, в следствие этого, ухудшение качества звука;
- значительная величина тока покоя, равного 1 амперу, сложность схемы.
Технический результат предлагаемых изобретений состоит в устранении указанных недостатков прототипа, а именно в:
- стабилизации напряжения на транзисторе за счет уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала при изменениях напряжения на выходных электродах транзисторов;
- снижении влияния комплексной динамической нагрузки на усилитель мощности звуковой частоты за счет устранении влияния на амплитудные и частотные параметры выходного сигнала, возникающих из-за "эффекта Эрли", и, как следствие, улучшении качества звука;
- снижении величины тока покоя в 20 раз (до 50 мампер);
- упрощении схемы за счет уменьшения количества каскадов усиления в усилителе мощности звуковой частоты;
- уменьшении рассеиваемой мощности на транзисторах выходного каскада;
- снижении температурных нагрузок в 3-4 раза на транзисторах выходного каскада;
- расширении полосы пропускания выходного каскада.
Технический результат достигается следующими решениями.
В способе стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности, включающем установку опорного напряжения относительно точки соединения истока и резистора внутрикаскадной отрицательной обратной связи, согласно изобретению снимают напряжение с электрода истока первого транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от первого опорного источника постоянного напряжения, запитанного первым источником постоянного тока, электрод стока первого транзистора запитывают постоянным рабочим напряжением от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, и соединяют его источником тока со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения комплементарно второму транзистору и повторителю напряжения, при этом снимают напряжение с электрода истока второго транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от второго опорного источника постоянного напряжения, запитанного вторым источником постоянного тока.
В выходном каскаде широкополосного усилителя мощности, содержащем выходные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (стоком), имеющие истоковые (эммитерные) резисторы внутрикаскадной отрицательной обратной связи, согласно изобретению точка соединения истока первого транзистора с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения, например, стабилитрону, запитанному первым источником постоянного тока, сток первого транзистора запитан от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, и соединен источником тока, выполненным на токозадающем резисторе, со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения, при этом первые транзистор и повторитель напряжения, соединенные с первым опорным источником постоянного напряжения, комплементарны вторым транзистору и повторителю напряжения, исток второго транзистора соединен со вторым опорным источником постоянного напряжения, запитанным вторым источником постоянного тока.
Снятие напряжения с электрода истока первого транзистора и подача на него постоянного рабочего напряжения, взятого от первого опорного источника постоянного напряжения, запитанного первым источником постоянного тока, позволяет устранить изменения параметров транзистора, которые зависят от напряжения сток-исток (например, крутизны).
Запитывание электрода стока первого транзистора постоянным рабочим напряжением от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, и соединение его источником тока со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения комплементарно второму транзистору и повторителю напряжения обеспечивает поддержание постоянного напряжения на первом транзисторе, когда закрывается первый повторитель, и наоборот - поддержание постоянного напряжения на втором транзисторе, когда закрывается второй повторитель.
Снятие напряжения с электрода истока второго транзистора и подача на него постоянного рабочего напряжения, взятого от второго опорного источника постоянного напряжения, запитанного вторым источником постоянного тока, позволяет устранить изменение параметров (например, крутизны) транзистора, которые зависят от напряжения сток-исток.
В выходном каскаде присоединение точки соединения истока первого транзистора с резистором отрицательной обратной связи к первому опорному источнику постоянного напряжения, например, стабилитрону, запитанному первым источником постоянного тока, и соединение точки стока первого транзистора как с первым повторителем напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, так и посредством источника тока, выполненным на токозадающем резисторе, со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения обеспечивает уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала при изменениях напряжения на выходных электродах транзисторов, а также улучшение частотных характеристик усилителя в целом.
Первый и второй опорные источники постоянного тока (стабилитроны) преобразуют ток в постоянное напряжение и запитывают первый, второй повторители напряжения.
Первый, второй повторители напряжения поддерживают поочередно постоянное напряжение на первом, втором выходных транзисторах через источник тока токозадающего резистора, фиксируя на точках стока первого или второго транзистора напряжение относительно точек их истока. Повторители напряжения работают активно только в одну сторону, первый повторитель повторяет напряжение во время положительной полуволны, когда второй повторитель закрыт, и наоборот.
Входное синусоидальное напряжение от первого источника постоянного тока поступает на сток первого выходного транзистора от первого повторителя напряжения, а на точку его истока - от первого опорного источника постоянного напряжения. Во время усиления положительной полуволны входного задающего сигнала первый выходной транзистор открыт, на его точках сток-исток поддерживается оптимальное стабильное напряжение в пределах 10-12 вольт, второй выходной транзистор закрыт, второй повторитель может быть закрыт.
Во время усиления отрицательной полуволны сигнала первый выходной транзистор закрыт, второй выходной транзистор открыт, на его точках сток-исток также поддерживается оптимальное стабильное напряжение в пределах 10-12 вольт.
Соединение первых транзистора и повторителя напряжения с первым опорным источником постоянного напряжения комплементарно второму транзистору и второму повторителю напряжения, и соединение истока второго транзистора со вторым опорным источником постоянного напряжения, запитанным вторым источником постоянного тока, позволяет снизить влияние комплексной динамической нагрузки, особенно динамической паразитной емкости выходного каскада усилителя мощности звуковой частоты.
Это объясняется тем, что в момент перехода через верхнюю точку преобразования отрицательной полуволны сигнала в положительную, когда второй транзистор закрывается, а первый открывается, закрывается второй повторитель напряжения и автоматически прекращает рассасывание емкости исток-сток второго транзистора.
Соединение стока первого транзистора с источником тока, выполненным на токозадающем резисторе, со стоком второго транзистора и выходами первого, второго повторителей напряжения обеспечивает рассасывание емкости сток-исток через резистор током второго повторителя напряжения.
Токозадающий резистор, первый и второй повторители напряжения поддерживают напряжение на выходных электродах первого, второго транзисторов постоянным, исключая динамическую емкость, при этом входной сигнал выходного каскада не нагружается динамической емкостью.
Поддержание на выходных электродах транзистора оптимального стабильного напряжения в пределах 10-12 вольт в свою очередь снижает влияние "эффекта Эрли" почти на 2 порядка, выходной сигнал усилителя повторяет входной с большей степенью точности, нелинейные искажения значительно уменьшаются и, как следствие, улучшается качество звука усилителя мощности. Кроме того, это позволяет снизить величину тока покоя каскада, управляющего выходными транзисторами, до 5-10 миллиампер при величине нагрузочного тока, равной 30 ампер.
Устранение влияния динамической емкости позволяет расширить полосу пропускания всего усилителя и повышает быстродействие усилителя, т.е. позволяет усилителю корректировать свои внутренние искажения.
Сущность заявляемых технических решений поясняется изображенной на чертеже функциональной схемой выходного каскада широкополосного усилителя мощности.
Для реализации способа стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности в выходном каскаде широкополосного усилителя мощности предусмотрены выходные транзисторы 1, 2, включенные по схеме с общим коллектором (стоком), имеющие истоковые (эммитерные) резисторы 3, 4 внутрикаскадной отрицательной обратной связи. Точка соединения истока первого транзистора 1 с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения 5, запитанному первым источником 6 постоянного тока. Сток первого транзистора 1 запитан от первого повторителя напряжения 7, взятого с первого источника постоянного тока 6, и соединен источником тока, выполненным на токозадающем резисторе 8, со стоком второго транзистора 2 и выходом второго повторителя напряжения 9.
Первые транзистор 1 и повторитель напряжения 7, соединенные с первым опорным источником постоянного напряжения 5, комплементарны вторым транзистору 2 и повторителю 9 напряжения. Исток второго транзистора 2 соединен со вторым опорным источником постоянного напряжения 10, запитанным вторым источником постоянного тока 11.
Реализация способа стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности происходит с использованием выходного каскада широкополосного усилителя мощности.
Процесс стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности ведется в следующей последовательности:
- снимают напряжение с электрода истока первого транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от первого опорного источника постоянного напряжения, запитанного первым источником постоянного тока;
- электрод стока первого транзистора запитывают постоянным рабочим напряжением от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока;
- электрод стока первого транзистора соединяют источником тока со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения комплементарно второму транзистору и повторителю напряжения;
- снимают напряжение с электрода истока второго транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от второго опорного источника постоянного напряжения, запитанного вторым источником постоянного тока.
Ниже приведено более подробное описание реализации способа стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности на выходном каскаде широкополосного усилителя мощности.
При подаче входного напряжения на первый 6, второй 11 затворы (базы) выходных транзисторов 1, 2 на первом выходном транзисторе 1 усиливается положительная полуволна входного задающего сигнала, начинается изменение напряжения, изменяются его параметры. Чтобы напряжение на первом выходном транзисторе 1 не менялось, его сток соединен с первым повторителем напряжения 7, взятого с первого источника постоянного тока 6, а точка соединения истока первого транзистора 1 с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения (стабилитрону) 5, запитанному первым источником постоянного тока 6.
Повторитель напряжения 7 повторяет напряжение источника постоянного напряжения 5, фиксируя на стоке напряжение относительно истока транзистора 1 в пределах 8-12 вольт. Поскольку сток первого транзистора 1 запитан от первого повторителя напряжения 7 и соединен с источником тока, выполненным на токозадающем резисторе 8, то на протяжении положительной полуволны входного задающего сигнала все параметры выходного транзистора, зависящие от напряжения сток-исток, остаются неизменными.
Во время усиления отрицательной полуволны сигнала первый повторитель напряжения 7 работает как повторитель напряжения, а первый выходной транзистор 1 закрыт, второй повторитель 10 и второй выходной транзистор 2 открыты.
Второй повторитель напряжения 10 повторяет напряжение источника постоянного напряжения 9, фиксируя на стоке напряжение относительно истока транзистора 2 в пределах 8-12 вольт, т.е. на его точках сток-исток также поддерживается оптимальное стабильное напряжение.
Поскольку сток второго транзистора 2 запитан от второго повторителя напряжения 10 и соединен с источником тока, выполненным на токозадающем резисторе 8, то на протяжении отрицательной полуволны входного задающего сигнала все параметры второго выходного транзистора 2, зависящие от напряжения сток-исток, также остаются неизменными.
Когда положительная полуволна входного напряжения начинает уменьшаться по абсолютному значению, то первый повторитель напряжения 7 закрывается и поддержание постоянного напряжения на первом выходном транзисторе 1 осуществляет второй повторитель напряжения 10 через источник тока токозадающего резистора 8.
Когда отрицательная полуволна входного напряжения начинает уменьшаться по абсолютному значению, то поддержание постоянного напряжения на втором выходном транзисторе осуществляет первый повторитель напряжения 7.
При переходе через верхнюю точку преобразования отрицательной полуволны сигнала в положительную, когда второй транзистор 2 закрывается, а первый 1 открывается, закрывается второй повторитель напряжения 10 и автоматически прекращает рассасывание емкости исток-сток второго транзистора 2.
При переходе через верхнюю точку преобразования положительной полуволны сигнала в отрицательную, когда первый транзистор 1 закрывается, а второй 2 открывается, закрывается первый повторитель напряжения 7, автоматически прекращает рассасывание емкости исток-сток второго транзистора 2.
На емкости сток-исток первого транзистора 1 остается первоначальное напряжение, величина которого может быть равна амплитуде предыдущей положительной полуволны.
Схема выходного каскада может работать в жестком режиме В, тогда как выходному каскаду по прототипу, работающему в режиме А-В, присуще значительное внутреннее искажение.
Заявляемые технические решения позволяют по сравнению с прототипом:
- повысить линейность выходного каскада 4;
- повысить качество звука за счет сокращения количества каскадов и устранить искажения звукового сигнала;
- упростить схему усилителя, что позволяет ликвидировать лишние искажения и обеспечить возможность управления меньшим током выходного каскада;
- снизить ток покоя до 50-100 мампер выходного каскада;
- снизить температурные нагрузки в 3-4 раза на транзисторах выходного каскада;
- уменьшить рассеивание мощности на транзисторах выходного каскада;
- расширить полосу пропускания выходного каскада.
1. Способ стабилизации напряжения на электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности, работающего в режиме В на комплементарных транзисторах, включенных по схеме с общим стоком, отличающийся тем, что устанавливают опорное напряжение внутрикаскадной отрицательной обратной связи, при этом снимают напряжение с электрода истока первого транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от первого опорного источника постоянного напряжения, запитанного первым источником постоянного тока, при этом электрод стока первого транзистора запитывают постоянным рабочим напряжением от первого повторителя напряжения, взятым с первого источника постоянного тока, и соединяют его источником тока со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения, при этом снимают напряжение с электрода истока второго транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от второго опорного источника постоянного напряжения, запитанного вторым источником постоянного тока.
2. Выходной каскад широкополосного усилителя мощности, работающего в режиме В на комплементарных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором или стоком, отличающийся тем, что транзисторы имеют истоковые или эмиттерные резисторы внутрикаскадной отрицательной обратной связи, точка соединения истока первого транзистора с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения, например, стабилитрону, запитанному первым источником постоянного тока, сток первого транзистора запитан от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, и соединен источником тока, выполненным на токозадающем резисторе, со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения, при этом первые транзистор и повторитель напряжения комплементарны вторым транзистору и повторителю напряжения, исток второго транзистора соединен со вторым опорным источником постоянного напряжения, запитанным вторым источником постоянного тока, сток второго транзистора соединен с выходом второго повторителя напряжения, который повторяет напряжение второго опорного источника постоянного напряжения.
