Двухтактный усилитель с индуктивной синфазной развязкой
Изобретение относится к двухтактным усилителям тока. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления. Двухтактный усилитель содержит первый и второй усилительные элементы (1, 1'), имеющие электрод (2, 2') эмиссии тока, электрод (3, 3') сбора тока и электрод (4, 4') управления током. Электроды (3, 3') сбора тока соединены через соответствующую индуктивность (7, 7') питания с общим питающим напряжением (V+). Электроды (2, 2') эмиссии тока усилительных элементов (1, 1') через соответствующий конденсатор (8, 8') соединены с электродом (3, 3') сбора тока соответствующего другого усилительного элемента (1', 1). Электроды (2, 2') эмиссии тока через соответствующую выходную индуктивность (10, 10') соединены с опорным потенциалом. Индуктивности (7, 7') питания усилительных элементов (1, 1') индуктивно связаны с входными индуктивностями (5, 5') и выходными индуктивностями (10, 10') соответствующего другого усилительного элемента (1', 1). 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к двухтактному усилителю для усиления подлежащего усилению входного сигнала для получения выходного сигнала,
причем двухтактный усилитель имеет первый и второй усилительные элементы,
причем каждый из усилительных элементов имеет электрод эмиссии тока, электрод сбора тока и электрод управления током,
причем на электроды управления током усилительных элементов через соответствующий входной вывод подается входной сигнал,
причем электроды сбора тока соединены с общим питающим напряжением,
причем электроды эмиссии тока усилительных элементов через соответствующий конденсатор соединены с электродом сбора тока соответствующего другого усилительного элемента.
Подобные двухтактные усилители общеизвестны. Только для примера можно сослаться на US 2201345 А.
Из US 1964048 А и соответствующего патента Германии 592184 известно, что для подавления синфазной составляющей в проводящую пару включается катушечное устройство, которое состоит из двух навитых друг на друга и, таким образом, тесно связанных друг с другом однонаправленных (синфазных) катушек.
Для усиления усиливаемого входного сигнала известно применение полумостовой схемы, в которой оба активных компонента (транзисторы, лампы) включены последовательно. При этом выполнении так называемый «компонент высокой стороны» должен обладать высоким потенциалом переменного и постоянного напряжений по отношению к массе. При этом выполнении паразитные емкости, например корпусы компонента по отношению к массе, вводят на практике асимметрию в схему. Кроме того, ввиду сильно различающихся паразитных емкостей симметричное управление активными компонентами затрудняется. Другие формы выполнения с симметричным отношением к массе компонентов требуют применения на выходе звена симметрирования или комбинирования мощности, например, трансформатора.
Также известны двухтактные усилители, в которых активные и пассивные компоненты размещены асимметрично. Так, например, известны соответствующие схемы под известными специалистам наименованиями, такими как «параллельная двухтактная схема», «регенеративно-усилительный магнетрон», «противо-полумостовая схема», которые симметрируют потенциалы активных компонентов желательным образом. В общем случае, в этих схемах требуются два раздельных питающих напряжения. Кроме того, управление в принципе накладывается на соответствующее половинное выходное напряжение, так что теоретически максимальное усиление напряжения ограничено коэффициентом 2, и даже это значение на практике зачастую не достигается. В килогерцовом диапазоне частот применяется так называемая «схема с компенсационной обратной связью» каскада возбудителя, чтобы снизить эту чрезвычайно сильную отрицательную обратную связь. При высоких частотах эта схема, из-за сильных помеховых воздействий паразитных емкостей, не применяется.
Из вышеназванного документа US 2201345 известен симметрично выполненный двухтактный усилитель, в котором имеется общее питающее напряжение. Но и в этом двухтактном усилителе достижимое усиление ограничено значением два.
Задачей настоящего изобретения является следующее: выполнить симметричный двухтактный усилитель таким образом, чтобы он мог эксплуатироваться с коэффициентом усиления, который не ограничен с самого начала значением два.
Эта задача решается двухтактным усилителем с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения соответствующего изобретению двухтактного усилителя являются предметом зависимых пунктов 2-8.
В соответствии с изобретением предусмотрено выполнение двухтактного усилителя вышеуказанного типа таким образом, что
между электродами управления током усилительного элемента и входными выводами размещена, соответственно, входная индуктивность,
электроды сбора тока соединены с общим питающим напряжением через соответствующую индуктивность питания,
электроды эмиссии тока соединены с выходными выводами, с которых может сниматься выходной сигнал,
электроды эмиссии тока через соответствующую выходную индуктивность соединены с опорным потенциалом, и
индуктивности питания усилительных элементов индуктивно связаны с входными индуктивностями и выходными индуктивностями соответствующего другого усилительного элемента.
Посредством индуктивной связи индуктивностей питания с входными индуктивностями соответствующего другого усилительного элемента достигается то, что коэффициент усиления соответствующего усилительного элемента может быть значительно выше, чем два. Посредством индуктивной связи индуктивности питания с выходной индуктивностью соответствующего другого усилительного элемента достигается то, что на постоянное напряжение питания усилительных элементов не оказывается влияния за счет управления усилительными элементами.
Усилительные элементы могут быть выполнены как лампы, например как триоды. Предпочтительно усилительные элементы выполнены как транзисторы. Хотя возможно выполнение в форме биполярных транзисторов, однако предпочтительным является выполнение в виде полевых транзисторов.
В возможном варианте выполнения соответствующего изобретению двухтактного усилителя предусмотрено, что индуктивная связь индуктивности питания первого усилительного элемента с входной индуктивностью и выходной индуктивностью второго усилительного элемента обусловлена симметрирующим трансформатором, который также вызывает индуктивную связь индуктивности питания второго усилительного элемента с входной индуктивностью и выходной индуктивностью первого усилительного элемента. В этом случае получается конструктивно простая структура двухтактного усилителя. Кроме того, в этом случае симметрирующий трансформатор может к тому же действовать как выходной трансформатор для согласования импеданса выходного сигнала.
В альтернативной форме выполнения соответствующего изобретению двухтактного усилителя предусмотрено, что индуктивная связь индуктивности питания первого усилительного элемента с входной индуктивностью и выходной индуктивностью второго усилительного элемента и индуктивная связь индуктивности питания второго усилительного элемента с входной индуктивностью и выходной индуктивностью первого усилительного элемента обусловлены, соответственно, собственными элементами связи. В этом случае выходные сигналы не сбалансированы относительно опорного потенциала.
Элементы связи могут быть выполнены согласно потребности. Предпочтительным образом они выполнены как элементы блокировки поверхностной волны. Если входной сигнал имеет предопределенную входную частоту, то элементы блокировки поверхностной волны могут быть выполнены, в частности, как четвертьволновые шлейфы.
Другие преимущества и детали следуют из изложенного ниже описания примеров выполнения со ссылками на чертежи, на которых в принципиальном представлении показано следующее.
Фиг.1 и 2 - соответствующий двухтактный усилитель.
Согласно фиг.1, двухтактный усилитель имеет первый и второй усилительные элементы 1, 1'. Каждый из обоих усилительных элементов 1, 1' имеет электрод 2, 2' эмиссии тока, электрод 3, 3' сбора тока и электрод 4, 4' управления током.
Усилительные элементы 1, 1' могут быть выполнены как лампы. В этом случае электроды 2, 2' эмиссии тока соответствуют катодам, а электроды 3, 3' сбора тока соответствуют анодам ламп. Электроды 4, 4' управления током являются в этом случае электродами сетки.
В качестве альтернативы, усилительные элементы 1, 1' могут быть выполнены как транзисторы в форме биполярных транзисторов. В этом случае электроды 2, 2' эмиссии тока соответствуют эмиттерам, а электроды 3, 3' сбора тока соответствуют коллекторам транзисторов. Электроды 4, 4' управления током соответствуют в этом случае базам транзисторов.
Соответственно представленному на фиг.1 предпочтительному выполнению, усилительные элементы 1, 1' выполнены как полевые транзисторы. В этом случае электроды 2, 2' эмиссии тока соответствуют «истокам», а электроды 3, 3' сбора тока соответствуют «стокам» полевых транзисторов. Электроды 4, 4' управления током соответствуют «затворам» полевых транзисторов.
Согласно фиг.1, электроды 4, 4' управления током усилительных элементов 1, 1' через соответствующую входную индуктивность 5, 5' соединены с соответствующим входным выводом 6, 6'. Через соответствующий входной вывод 6, 6' на электроды 4, 4' управления током подается усиливаемый входной сигнал е.
Входные индуктивности 5, 5' представляют собой обычные индуктивности. Термин «входные индуктивности» был выбран только для того, чтобы иметь возможность отличать эти индуктивности от других индуктивностей. Входной сигнал е представляет собой сигнал переменного напряжения. Он может, например, через не показанные на фиг.1 конденсаторы связи развязываться по постоянному напряжению от двухтактного усилителя.
Электроды 3, 3' сбора тока соединены через соответствующую индуктивность 7, 7' питания с питающим напряжением V+. Питающее напряжение V+ является общим питающим напряжением, которое питает оба усилительных элемента 1, 1' электрической энергией. Питающее напряжение V+ представляет собой постоянное напряжение. Питающее напряжение V+ в соответствии с изображением на фиг.1 является положительным относительно массы.
Индуктивности 7, 7' питания - аналогично входным индуктивностям 5, 5' - являются нормальными индуктивностями. Термин «индуктивности питания» был выбран только для того, чтобы иметь возможность отличать эти индуктивности от других индуктивностей.
Электроды 2, 2' эмиссии тока усилительных элементов 1, 1', согласно фиг.1, через соответствующие конденсаторы 8, 8', соединены с электродами 3, 3' сбора тока соответствующего другого усилительного элемента 1, 1'. Электроды 2, 2' эмиссии тока, согласно фиг.1, соединены с выходными выводами 9, 9'. Через выходные выводы 9, 9' может сниматься выходной сигнал а. Выходной сигнал а является усиленным по сравнению с входным сигналом е. Отношение выходного сигнала а к входному сигналу е может быть больше, чем два.
Электроды 2, 2' эмиссии тока, кроме того, через соответствующую выходную индуктивность 10, 10' соединены с опорным потенциалом. Опорный потенциал, соответственно представлению на фиг.1, может быть потенциалом массы. Однако альтернативно он может быть потенциалом, отличающимся от потенциала массы.
Выходные индуктивности 10, 10' представляют собой обычные индуктивности. Термин «выходные индуктивности» был выбран только для того, чтобы иметь возможность отличать эти индуктивности от других индуктивностей.
Как показано на фиг.1 косыми линиями, индуктивности 7, 7' питания усилительных элементов 1, 1' индуктивно связаны с входными индуктивностями 5, 5' и выходными индуктивностями 10, 10' соответственно другого усилительного элемента 1, 1'. Поэтому линии соответствуют элементам связи 11, 11', которые реализуют соответствующую индуктивную связь. Элементы связи 11, 11' могут быть выполнены, например, как соответствующий сердечник трансформатора, на который навиты соответствующие индуктивности 7, 5', 10' или 7', 5, 10.
Индуктивная связь рассчитывается таким образом, что индуцированные напряжения взаимно компенсируются. Коэффициент трансформации должен, таким образом, лежать по возможности ближе к единице. Имеющиеся на выходных выводах 9, 9' выходные напряжения должны, таким образом, по возможности в отношении 1:1 подаваться на электроды 4, 4' управления током усилительных элементов 1, 1' и на связанные с питающим напряжением V+ стороны конденсаторов 8, 8'.
Индуктивности 5, 5', 7, 7', 10, 10' могут, соответственно изображению на фиг.1, образовывать две отделенные друг от друга группы троек. В этом случае вызывается индуктивная связь индуктивности 7 питания первого усилительного элемента 1 с входной индуктивностью 5' и выходной индуктивностью 10' второго усилительного элемента 1' через элемент 11 связи. Индуктивная связь индуктивности 7' питания второго усилительного элемента 1' с входной индуктивностью 5 и выходной индуктивностью 10 первого усилительного элемента 1 в этом случае вызывается посредством элемента 11' связи. Элементы 11, 11' связи, согласно выполнению по фиг.1, являются различными элементами 11, 11' связи.
Элементы 11, 11' связи могут быть выполнены, например, как элементы блокировки поверхностной волны. Если входной сигнал е имеет определенную входную частоту (например, является достаточно узкополосным), элементы блокировки поверхностной волны могут быть выполнены, например, как четвертьволновые шлейфы.
Двухтактный усилитель согласно фиг.2 соответствует, по существу, двухтактному усилителю по фиг.1. В отличие от двухтактного усилителя по фиг.1, в двухтактном усилителе по фиг.2 индуктивная связь индуктивностей 5, 5', 7, 7', 10, 10' вызывается посредством единственного симметрирующего трансформатора 12, на который навиты все шесть названных индуктивностей 5, 5', 7, 7', 10, 10'. В этом случае, с одной стороны, опорный потенциал лежит на потенциале земли. С другой стороны, в этом случае посредством симметрирующего трансформатора 12 вызывается не только индуктивная связь индуктивности 7 питания первого усилительного элемента 1 с входной индуктивностью 5' и выходной индуктивностью 10' второго усилительного элемента 1'. К тому же симметрирующий трансформатор 12' также вызывает индуктивную связь индуктивности 7' питания второго усилительного элемента 1' с входной индуктивностью 5 и выходной индуктивностью 10 первого усилительного элемента 1.
Так же, как в уровне техники как в выполнении двухтактного усилителя согласно фиг.1, так и в выполнении двухтактного усилителя согласно фиг.2, имеется выходной трансформатор, посредством которого осуществляется согласование импеданса выходного сигнала а. В форме выполнения двухтактного усилителя согласно фиг.1 выходной трансформатор должен выполняться как самостоятельный компонент. Это, разумеется, также возможно и при выполнении двухтактного усилителя согласно фиг.2. Однако при выполнении двухтактного усилителя согласно фиг.2, соответственно представлению фиг.2, также альтернативно возможно, что симметрирующий трансформатор 12 к тому же действует как выходной трансформатор для согласования импеданса выходного сигнала а. В этом случае нужно только на том же самом сердечнике трансформатора, дополнительно к индуктивностям 5, 5', 7, 7', 10, 10', также разместить обмотки выходного трансформатора.
Предложенное изобретение имеет множество преимуществ. В частности, оно решает проблемы симметрирования, свойственные уровню техники как на стороне управления, так и на выходной стороне, и развязывает управляющие сигналы и постоянное питающее напряжение обеих усилительных ветвей от двухтактного потенциала переменного напряжения выхода. За счет этого сильная отрицательная обратная связь, которая в уровне техники считалась непреодолимой, может быть устранена. В результате, благодаря этому возможны коэффициенты усиления двухтактного усилителя, которые заметно выше, чем два. В экспериментах были получены коэффициенты усиления в пределах от 10 до 100.
Приведенное выше описание служит исключительно для пояснения заявленного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен определяться исключительно приложенной формулой изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1, 1' усилительные элементы
2, 2' электроды эмиссии тока
3, 3' электроды сбора тока
4, 4' электроды управления током
5, 5' входные индуктивности
6, 6' входные выводы
7, 7' индуктивности питания
8, 8' конденсаторы
9, 9' выходные выводы
10, 10' выходные индуктивности
11, 11' элементы связи
12 симметрирующий трансформатор
а выходной сигнал
е входной сигнал
V+ питающее напряжение
1. Двухтактный усилитель для усиления подлежащего усилению входного сигнала (е) для получения выходного сигнала (а),
причем двухтактный усилитель имеет первый и второй усилительные элементы (1, 1'),
причем каждый из обоих усилительных элементов (1, 1') имеет электрод (2, 2') эмиссии тока, электрод (3, 3') сбора тока и электрод (4, 4') управления током,
причем на электроды (4, 4') управления током усилительных элементов (1, 1') через соответствующий входной вывод (6, 6') и соответствующую входную индуктивность (5, 5'), размещенную между соответствующим входным выводом (6, 6') и соответствующим электродом (4, 4') управления током, подается входной сигнал (е),
причем электроды (3, 3') сбора тока соединены через соответствующую индуктивность (7, 7') питания с общим питающим напряжением (V+),
причем электроды (2, 2') эмиссии тока усилительных элементов (1, 1') через соответствующий конденсатор (8, 8') соединены с электродом (3, 3') сбора тока соответствующего другого усилительного элемента (1', 1),
причем электроды (2, 2') эмиссии тока соединены с выходными выводами (9, 9'), с которых может сниматься выходной сигнал (а),
причем электроды (2, 2') эмиссии тока через соответствующую выходную индуктивность (10, 10') соединены с опорным потенциалом,
причем индуктивности (7, 7') питания усилительных элементов (1, 1') индуктивно связаны с входными индуктивностями (5, 5') и выходными индуктивностями (10, 10') соответствующего другого усилительного элемента (1', 1).
2. Двухтактный усилитель по п.1, отличающийся тем, что усилительные элементы (1, 1') выполнены как транзисторы.
3. Двухтактный усилитель по п.2, отличающийся тем, что транзисторы выполнены как полевые транзисторы.
4. Двухтактный усилитель по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что индуктивная связь индуктивности (7) питания первого усилительного элемента (1) с входной индуктивностью (5') и выходной индуктивностью (10') второго усилительного элемента (1') обусловлена симметрирующим трансформатором (12), который также вызывает индуктивную связь индуктивности (7') питания второго усилительного элемента (1') с входной индуктивностью (5) и выходной индуктивностью (10) первого усилительного элемента (1).
5. Двухтактный усилитель по п.4, отличающийся тем, что симметрирующий трансформатор (12) действует так же, как выходной трансформатор для согласования импеданса выходного сигнала (а).
6. Двухтактный усилитель по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что индуктивная связь индуктивности (7) питания первого усилительного элемента (1) с входной индуктивностью (5') и выходной индуктивностью (10') второго усилительного элемента (1') и индуктивная связь индуктивности (7') питания второго усилительного элемента (1') с входной индуктивностью (5) и выходной (10) индуктивностью первого усилительного элемента (1) обусловлены, соответственно, собственными элементами (11, 11') связи.
7. Двухтактный усилитель по п.6, отличающийся тем, что элементы (11, 11') связи выполнены как элементы блокировки поверхностной волны.
8. Двухтактный усилитель по п.7, отличающийся тем, что входной сигнал (е) имеет предопределенную входную частоту и элементы блокировки поверхностной волны выполнены как четвертьволновые шлейфы.
