Двухтактный усилитель мощности
Изобретение относится к радиотехнике для использования в качестве выходного каскада усилителей высокой точности (линейности). Технический результат заключается в снижении коммутационных искажений, возникающих при переключении плеч усилителя. Усилитель (фиг.5) выполнен в виде последовательно соединенных каскадов с общим эмиттером на транзисторах (VT2, VT3, VT4, VT5) и резисторах (R1, R2, R3, R4), раскачиваются источником тока сигнала на транзисторе (VT1), в коллектор которого включены источник напряжения смещения (Uсм) и динамическая нагрузка - генератор тока (I0). Диоды (VD1, VD2) обеспечивают коммутацию плеч, а источники токов (I1, I2) предотвращают отсечку токов плеч при работе усилителя в режиме АВ. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к двухтактным усилителям мощности, и может найти применение в качестве выходного каскада усилителей высокой точности (линейности).
Известен двухтактный усилитель мощности без отсечки токов плеч в режиме АВ, чем обеспечивается снижение коммутационных искажений, возникающих при переключении плеч. Он содержит (см. фиг.1) собственно усилитель мощности, выполненный по модифицированной двухтактной комплиментарной схеме Дарлингтона на транзисторах VT1, VT2, VT7, VT8, резисторах R1, R6, R7 и источниках напряжения смещения Uсм1, Ucм2, a также схемы, предотвращающие отсечку тока выходных транзисторов VT7, VT8, собранные на транзисторах VT3, VT4, VT5, VT6, диодах VD1, VD2, резисторах R2, R3, R4, R5 и источниках напряжения Uсм3, Uсм4. При положительной полуволне входного сигнала напряжение база - эмиттер транзистора VT8 уменьшается, транзисторы VT4, VT6 открываются и на базу VT8 поступает предотвращающее отсечку эмиттерного тока дополнительное напряжение. Аналогично предотвращается отсечка тока транзистора VT7 при отрицательной полуволне полезного сигнала (Ломакин А., Паршин Б. Коммутационные искажения в усилителях мощности ЗЧ. - Радио, 1987, №9, стр.35, рис.1).
Еще известен двухтактный усилитель мощности без отсечки токов плеч в режиме АВ, построенный (см. фиг.2) также на основе комплиментарных составных эмиттерных повторителей. К собственно усилителю мощности относятся транзисторы VT1, VT3, VT5 (верхнее по схеме плечо) и VT2, VT4, VT6 (нижнее по схеме плечо), эмиттерные резисторы R1, R2, R3, R4, R5, источник напряжения смещения Uсм1 и источник тока I0, служащийся динамической нагрузки для предшествующего каскада усиления. Схема коммутации и предотвращения отсечки токов плеч выполнена на диодах VD1, VD2, VD3, VD4, источниках напряжения Uсм2, Uсм3 и источниках тока I1, I2. При положительной полуволне входного сигнала диоды VD2, VD3 закрыты, и поэтому он передается на выход через эмиттерный повторитель на транзисторе VT1, открытый диод VD1 и составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT3, VT5. При этом напряжение смещения на базе транзистора VT4 через открытый диод VD4 поддерживается на нижнем пределе Uсм3 - UvD4, где UvD4 - падение напряжения на открытом диоде VD4. При отрицательной полуволне входного сигнала диоды VD1 и VD4 закрыты, через эмиттерный повторитель на транзисторе VT2, открытый диод VD2 и составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT4, VT6 сигнал поступает на выход, а открытый диод VD3 предотвращает отсечку тока транзисторов VT3, VT5 (Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М.: Мир, 1991, стр.207, 208, рис. 13.6.3,а).
Рассмотренные выше (на фиг.1, 2) двухтактные усилители мощности основаны на комплиментарных составных эмиттерных повторителях. Из уровня техники известны также двухтактные усилители мощности, комплиментарные плечи которых образованы последовательно соединенными каскадами, выполненными по схеме с общим эмиттером.
Так, например, известен усилитель (см. фиг.3), верхнее (нижнее) по схеме плечо которого состоит из последовательно соединенных каскадов с общим эмиттером на транзисторах VT1 (VT2) и VT3 (VT4). Резисторы R1, R2 служат нагрузкой для предшествующего каскада раскачки указанных плеч. Источник напряжения смещения на диодах VD1, VD2 задает ток покоя транзисторов VT1, VT2, стабилизируемый резисторами R3, R4 в их эмиттерах (Ежков Ю. Справочник по схемотехнике усилителей. - Омск: Юридический институт МВД России, 1996, стр.103, рис.7.15,б).
В качестве прототипа выбран двухтактный усилитель мощности (см. фиг.4), верхнее (нижнее) по схеме плечо которого образовано последовательно соединенными каскадами с общим эмиттером на транзисторах VT2 (VT3) и VT4 (VT5). К коллекторам выходных транзисторов VT4 и VT5 подключена нагрузка Rн. Источник напряжения смещения Uсм, включенный между базами транзисторов VT2, VT3, задает их ток покоя, стабилизируемый эмиттерными резисторами R2, R3. Источником тока сигнала, раскачивающим комплиментарные плечи усилителя, служит транзистор VT1, коллектор которого нагружен на последовательно включенные источник Uсм и резистор R1. При положительной полуволне тока сигнала транзисторы VT3, VT5 закрыты и его усиление обеспечивают транзисторы VT2 и VT4 в ˜R1/R2 и h21_VT4 раза соответственно, где h21_VT4 - коэффициент передачи тока транзистора VT4 в схеме с общим эмиттером. Таким образом, в нагрузке Rн протекает усиленный в (R1/R2)×h21_VT4 раза ток сигнала. При отрицательной полуволне тока сигнала транзисторы VT2, VT4 закрыты и его усиление в (R1/R3)×h21_VT5 раза обеспечивают транзисторы VT3, VT5, где h21_VT5 - коэффициент передачи тока транзистора VT5 в схеме с общим эмиттером (Алексеев Ю. Бытовая радиоприемная и звуковоспроизводящая аппаратура (модели 1987, 1988 гг.): Справочник. - М.: Радио и связь, 1991, стр.22, рис.1.9,б).
Поскольку в усилителях последнего рассмотренного типа (представленных на фиг.3, 4) не обеспечивается работа без отсечки токов плеч в режиме АВ, при создании изобретения в целях снижения коммутационных искажений в усилителях данного типа решалась задача обеспечения такого рода их работы (с предотвращением отсечки). Формально указанная задача классифицируется как "расширение арсенала технических средств определенного назначения" (Пункт 3.2.4.3 Правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение, утвержденных приказом Роспатента №82 от 17.04.98 г.).
Поставленная цель достигается в результате того, что в двухтактном усилителе мощности (см. фиг.4), содержащем источник тока сигнала на транзисторе (VT1) р-n-р типа, к коллектору которого подключен положительным полюсом источник напряжения смещения (Uсм), транзистор (VT2) n-р-n типа, эмиттер которого через резистор (R2) соединен с нулевым проводом питания, транзистор (VT3) р-n-р типа, эмиттер которого через резистор (R3) соединен с нулевым проводом питания, транзистор (VT4) р-n-р типа, база которого соединена с коллектором транзистора (VT2), а эмиттер - с положительным проводом питания, транзистор (VT5) n-р-n типа, база которого соединена с коллектором транзистора (VT3), эмиттер - с отрицательным проводом питания, а коллектор - с коллектором транзистора (VT4) и одним из выводов нагрузки (Rн), другой вывод которой соединен с нулевым проводом питания, а также резистор (R1), предусмотрены следующие конструктивные отличия (см. фиг.5):
1) введен диод (VD1), соединенный анодом с базой транзистора (VT3) и первым выводом резистора (R1), второй вывод которого подключен к нулевому проводу питания, катод диода (VD1) соединен с отрицательным полюсом источника (Uсм);
2) введен источник постоянного или сигнального тока (I0), положительный полюс которого соединен с отрицательным проводом питания, а отрицательный полюс - с отрицательным полюсом источника (Uсм);
3) введен источник постоянного тока (I1), положительный полюс которого соединен с отрицательным проводом питания, а отрицательный - с базой транзистора (VT3);
4) введен диод (VD2), соединенный анодом с коллектором транзистора (VT1), а катодом - с базой транзистора (VT2);
5) введен резистор (R4), первый вывод которого соединен с базой транзистора (VT2), а второй - с нулевым проводом питания;
6) введен источник постоянного тока (I2), отрицательный полюс которого соединен с положительным проводом питания, а положительный - с базой транзистора (VT2).
Возможны следующие два частных случая выполнения предложенного усилителя.
1) Исходный усилитель, отличающийся тем, что анод диода (VD1) соединен с первым выводом резистора (R1) через введенный транзистор (VT6) р-n-р типа в диодном включении, база и коллектор которого являются катодом диода и соединены с анодом диода (VD1), а эмиттер, являющийся анодом диода, - с первым выводом резистора (R1), первый вывод резистора (R4) соединен с базой транзистора (VT2) через введенный транзистор (VT7) n-р-n типа в диодном включении, база и коллектор которого являются анодом диода и соединены с базой транзистора (VT2), а эмиттер, являющийся катодом диода, - с первым выводом резистора (R4). При этом достигается дополнительный технический результат, состоящий в повышении термостабильности тока покоя плеч усилителя.
2) Исходный усилитель или усилитель в первом частном случае выполнения, отличающийся тем, что введен резистор (R5), один из выводов которого соединен с коллектором транзистора (VT3), а другой - с отрицательным проводом питания, введен резистор (R6), один из выводов которого соединен с коллектором транзистора (VT2), а другой - с положительным проводом питания, эмиттер транзистора (VT5) соединен с отрицательным проводом питания через введенный резистор (R7), эмиттер транзистора (VT4) соединен с положительным проводом питания через введенный резистор (R8). Таким образом, достигаются дополнительные технические результаты, состоящие в повышении термостабильности тока покоя выходных транзисторов VT4, VT5 и стабильности коэффициента передачи тока усилителя.
К собственно схеме коммутации и предотвращения отсечки токов плеч в предложенном усилителе (см. фиг.5) относятся диоды VD1, VD2, источники токов I0, I1, I2 и резисторы R1, R4. К этой схеме по технической сущности наиболее близка схема аналогичного назначения в рассмотренном выше усилителе, представленном на фиг.2. Общим в указанных схемах является то, что коммутацию плеч, т.е. их переключение из активного режима в пассивный и обратно, осуществляют диоды VD1, VD2. К существенным отличиям сравниваемых схем можно отнести следующее.
I. В усилителе на фиг.2 процесс переключения диодов VD1, VD2 управляется напряжением, а именно разностью, в первом приближении, напряжений на входе и выходе усилителя (входное напряжение передается на левые по схеме выводы диодов через эмиттерные повторители на транзисторах VT1, VT2, а выходное, с точностью до падения напряжения на эмиттерных переходах и резисторах R4, R5, - на правые выводы через составные повторители напряжения на транзисторах VT3, VT5 и VT4, VT6). В предложенном же усилителе процесс переключения диодов VD1, VD2 управляется током, а именно сигнальным током, поступающим с коллектора транзистора VT1. Данный режим управления диодами обеспечен благодаря замене коллекторной нагрузки транзистора VT1 с резистивной (резистор R1 в схеме прототипа на фиг.4) на динамическую (источник тока I0 на фиг.5).
II. В сравниваемых схемах цепи, предотвращающие отсечку токов плеч, отличаются по построению и порядку работы. В усилителе на фиг.2 указанная цепь для верхнего (нижнего) плеча содержит источник напряжения Ucм2 (Uсм3), диод VD3 (VD4), источник тока I1 (I2) и имеет две характерные особенности. Во-первых, напряжение смещения, препятствующее отсечке тока транзистора VT3 (VT4), формируется на его базе источником напряжения - последовательно соединенными источником Uсм2 (Uсм3) и диодом VD3 (VD4). Во-вторых, указанное напряжение смещения подается на базу транзистора VT3 (VT4) динамически, только при отрицательной (положительной) полуволне входного сигнала, а соответствующую коммутацию осуществляет диод VD3 (VD4). В предложенном же усилителе (см. фиг.5) цепь, предотвращающая отсечку тока верхнего (нижнего) плеча, состоит из источника тока I2 (I1) и резистора R4 (R1). В отличие от рассмотренной выше цепи аналогичного назначения усилителя на фиг.2, в данном случае, во-первых, напряжение смещения, препятствующее отсечке тока транзистора VT2 (VT3), формируется на его базе не источником напряжения, а за счет падения напряжения на резисторе R4 (R1) при протекании тока от источника I2 (I1), и, во вторых, обусловленная указанным напряжением смещения составляющая в токах верхнего (нижнего) плеча представляет собой постоянный ток, т.е. не коммутируется.
Техническая сущность и принцип действия аналогов, прототипа и предложенного усилителя поясняются чертежами, на которых
фиг.1 - усилитель, в котором реализован аналогичный обеспечиваемому в предложенном устройстве род работы - без отсечки токов плеч в режиме АВ;
фиг.2 - усилитель, в котором схема коммутации и предотвращения отсечки токов плеч наиболее близка к схеме аналогичного назначения в предложенном устройстве;
фиг.3 - усилитель - аналог предложенного устройства;
фиг.4 - усилитель - прототип предложенного устройства;
фиг.5 - предложенное устройство;
фиг.6 - вариант предложенного устройства с повышенной термостабильностью тока покоя;
фиг.7 - вариант предложенного устройства с повышенными термостабильностью тока покоя и стабильностью коэффициента усиления;
фиг.8 - пример реализации в предложенном устройстве коллекторной цепи транзистора VT1;
фиг.9 - пример реализации в предложенном устройстве цепей, предотвращающих отсечку токов плеч.
В качестве примера осуществления предложенного усилителя приведем возможный вариант его принципиальной схемы (фиг.5, 8, 9), основанной на принципиальной схеме прототипа (Алексеев Ю. Бытовая радиоприемная и звуковоспроизводящая аппаратура (модели 1987, 1988 гг.): Справочник. - М.: Радио и связь, 1991, стр.22, рис.1.9,б). В соответствии с принципиальной схемой прототипа R1=1,2 к, R2=R3=82 Ом, а источник напряжения смещения Uсм может быть выполнен на транзисторе VT8 по схеме, показанной на фиг.8. На этой фигуре показана также возможная реализация генератора тока I0 - димамической нагрузки коллектора транзистора VT1. Генератор I0 выполнен на транзисторе VT9 по обычной схеме (Ежков Ю. Справочник по схемотехнике усилителей. - Омск: Юридический институт МВД России, 1996, стр.51, рис.5.2) и при приведенных на фиг.8 номиналах его элементов обеспечивает в коллекторной цепи транзистора VT1 примерно такой же ток, как и в схеме прототипа, около 1,3 мА. В данных и последующих расчетах полагалось, что падение напряжения на прямосмещенных диодах и переходах база - эмиттер транзисторов составляет 0,55 в, источники питания обеспечивают напряжение +Uпит=+4,5 в, -Uпит=-4,5 В, а коэффициенты передачи тока транзисторов в схеме с общим эмиттером равны 100. На фиг.9 показана возможная реализация в предложенном усилителе цепей, предотвращающих отсечку токов плеч. В этих цепях сопротивление резистора R4 выбрано равным R1, а генераторами токов I1, I2 служат переменные резисторы R9, R10 номиналом по 12 К. Переменными резисторами устанавливается нижний предел напряжения смещения на базах транзисторов VT2, VT3 и в результате указанной регулировки их сопротивление составит около 8,6 К.
Усилитель работает следующим образом. При положительной полуволне тока сигнала, поступающего с коллектора транзистора VT1, диод VD1 закрыт и напряжение смещения на базе транзистора VT3 поддерживается на предотвращающем его отсечку нижнем пределе, установленном резистором R9. Протекающий через открытый диод VD2 ток сигнала усиливается каскадами с общим эмиттером на транзисторах VT2 и VT4 в ˜(R4||R10)/R2 и h21_VT4 раза соответственно*. (*|| - символ, известный из уровня техники и обозначающий параллельное соединение резисторов. Здесь и далее по тексту он используется для обозначения сопротивления параллельно соединенных резисторов, т.е., например, R4||R10=R4×R10/(R4+R10). В результате усиленный в ((R4||R10)/R2)×h21_VT4 раза ток сигнала поступает с коллектора VT4 в нагрузку Rн. При отрицательной полуволне сигнала аналогично предотвращается отсечка тока верхнего по схеме плеча, а усиленный в ((R1||R9)/R3)×h21_VT5 раза ток поступает в нагрузку с коллектора транзистора VT5. Расчеты коэффициентов передачи по току прототипа и предложенного усилителя показывают, что они примерно одинаковы для описанных схем и составляют 1460 и 1280 соответственно.
1. Двухтактный усилитель мощности, содержащий источник тока сигнала на транзисторе (VT1) р-n-р типа, к коллектору которого подключен положительным полюсом источник напряжения смещения (Uсм), транзистор (VT2) n-р-n типа, эмиттер которого через резистор (R2) соединен с нулевым проводом питания, транзистор (VT3) р-n-р типа, эмиттер которого через резистор (R3) соединен с нулевым проводом питания, транзистор (VT4) р-n-р типа, база которого соединена с коллектором транзистора (VT2), а эмиттер - с положительным проводом питания, транзистор (VT5) n-р-n типа, база которого соединена с коллектором транзистора (VT3), эмиттер - с отрицательным проводом питания, а коллектор - с коллектором транзистора (VT4) и одним из выводов нагрузки (Rн), другой вывод которой соединен с нулевым проводом питания, а также резистор (R1), отличающийся тем, что введен диод (VD1), соединенный анодом с базой транзистора (VT3) и первым выводом резистора (R1), второй вывод которого подключен к нулевому проводу питания, катод диода (VD1) соединен с отрицательным полюсом источника (Uсм), введен источник постоянного или сигнального тока (Io), положительный полюс которого соединен с отрицательным проводом питания, а отрицательный полюс - с отрицательным полюсом источника (Uсм), введен источник постоянного тока (I1), положительный полюс которого соединен с отрицательным проводом питания, а отрицательный - с базой транзистора (VT3), введен диод (VD2), соединенный анодом с коллектором транзистора (VT1), а катодом - с базой транзистора (VT2), введен резистор (R4), первый вывод которого соединен с базой транзистора (VT2), а второй - с нулевым проводом питания, введен источник постоянного тока (I2), отрицательный полюс которого соединен с положительным проводом питания, а положительный - с базой транзистора (VT2).
2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что анод диода (VD1) соединен с первым выводом резистора (R1) через введенный транзистор (VT6) р-n-р типа в диодном включении, база и коллектор которого являются катодом диода и соединены с анодом диода (VD1), а эмиттер, являющийся анодом диода, - с первым выводом резистора (R1), первый вывод резистора (R4) соединен с базой транзистора (VT2) через введенный транзистор (VT7) n-р-n типа в диодном включении, база и коллектор которого являются анодом диода и соединены с базой транзистора (VT2), а эмиттер, являющийся катодом диода, - с первым выводом резистора (R4).
3. Усилитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что введен резистор (R5), один из выводов которого соединен с коллектором транзистора (VT3), а другой - с отрицательным проводом питания, введен резистор (R6), один из выводов которого соединен с коллектором транзистора (VT2), а другой - с положительным проводом питания, эмиттер транзистора (VT5) соединен с отрицательным проводом питания через введенный резистор (R7), эмиттер транзистора (VT4) соединен с положительным проводом питания через введенный резистор (R8).
