Транзисторный усилитель с параллельным управлением

Изобретение относится к области транзисторных усилителей электрических сигналов. Технический результат заключается в снижении нелинейных интермодуляционных и других видов искажений, ограничении их спектра, расширении диапазона входных сигналов и повышении КПД транзисторного усилителя. Технический результат достигается за счет того, что в усилителе с параллельным управлением резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, заменен на двухполюсник, характеристика ток - падение напряжения которого является функцией, обратной по отношению к функции, описывающей передаточную характеристику нижнего транзистора. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к технике полупроводниковых усилителей электрических сигналов в том числе усилителей мощности звуковой частоты.

Из предыдущего уровня техники известен усилитель класса А с параллельным управлением на полевых транзисторах с изолированным затвором, который содержит два одинаковых транзистора, резистор, включенный между стоком нижнего по схеме транзистора и истоком верхнего транзистора и цепи смещения, определяющие режим работы усилителя, http://http.7/http://www.tubecad.com/index_files/page0023.htm.

Наиболее близким к предлагаемому является усилитель класса А с параллельным управлением, содержащий два одинаковых транзистора, включенных по питанию последовательно: нижний транзистор, на базу которого подается входной сигнал и верхний транзистор, к эмиттеру которого подключена нагрузка усилителя. Усилитель содержит также датчик тока - резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, и источник опорного напряжения - два диода, включенных в прямом направлении между коллектором нижнего транзистора и базой верхнего транзистора - определяющий режим работы усилителя по постоянному току. Ток стока нижнего транзистора создает на резисторе падение напряжения. Разность опорного напряжения и напряжения, падающего на резисторе, является управляющим напряжением для верхнего транзистора. http://www.tubecad.com/2004/blog0016.htm.

Недостатком известных усилителей с параллельным управлением является значительный уровень нелинейных и интермодуляционных искажений, недостаточно высокий КПД.

Задача, на решение которой направлено изобретение заключается в снижении нелинейных интермодуляционных и других видов искажений, ограничении их спектра, расширении диапазона входных сигналов и повышении КПД транзисторного усилителя.

Поставленная задача решается за счет того, что в усилителе класса А с параллельным управлением, содержащем два одинаковых транзистора, резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, а также источник напряжения, включенный между коллектором нижнего транзистора и базой верхнего транзистора, резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, заменен двухполюсником, для которого функция, выражающая зависимость между током и падением напряжения, является обратной по отношению к функции, выражающей передаточную характеристику входное напряжение - ток коллектора нижнего транзистора.

Двухполюсник, имеющий необходимую зависимость ток-падение напряжения, содержит транзистор, идентичный используемым в усилителе транзисторам, между коллектором и базой которого включен дополнительный источник напряжения, величина и полярность которого обеспечивает работу транзистора двухполюсника на прямолинейном участке выходной характеристики.

Усилитель может быть выполнен на полевых транзисторах с изолированным затвором.

Усилитель может быть выполнен на полевых транзисторах с р-n переходом.

Двухполюсник может быть составлен из одной или нескольких параллельно включенных цепочек, каждая из которых содержит один или несколько диодов и резистор, которые включены последовательно, причем результирующая характеристика ток-напряжение такого двухполюсника близка к обратной функции, выражающей передаточную характеристику входного транзистора. Этот подход выражает идею кусочной аппроксимации требуемой нелинейной характеристики.

Для оптимизации работы усилителя при малых токах покоя параллельно двухполюснику включается резистор относительно большой величины, который изменяет только начальный участок характеристики ток - напряжение двухполюсника.

Для снижения нелинейных искажений и повышения КПД в усилитель вводится цепь отрицательной обратной связи, охватывающая преимущественно и предварительный усилитель.

Для повышения энергетической эффективности усилитель переводится в режим работы, отличный от режима А, который характеризуется отсечкой тока верхнего транзистора.

Достигаемый технический результат заключается в уменьшении нелинейных интермодуляционных и других видов искажений, ограничении их спектра, расширении диапазона входных сигналов, повышении КПД усилителя.

Изобретение поясняется чертежами, где:

На фиг.1 - электрическая схема усилителя на биполярных транзисторах.

На фиг.2 - электрическая схема усилителя на полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET).

На фиг.3 - графики зависимости падения напряжения на транзисторе двухполюсника и резисторах с разным сопротивлением (RA<Rb) от входного напряжения усилителя.

На фиг.4 - графики зависимости управляющего напряжения верхнего транзистора от входного напряжения усилителя.

На фиг.5 - графики токов транзисторов и выходного тока усилителя.

На фиг.6 - графики напряжений и токов в усилителе для режима А при синусоидальном входном воздействии.

На фиг.7 - графики напряжений и токов в усилителе для режима, отличного от режима А при синусоидальном входном воздействии.

Усилитель с последовательным управлением содержит нижний транзистор 1, верхний транзистор 2, двухполюсник на транзисторе 3, источник постоянного напряжения 4 (фиг.1), причем коллектор нижнего транзистора 1 соединен с эмиттером транзистора двухполюсника 3, между коллектором и базой транзистора 3 включен дополнительный источник напряжения 5, коллектор транзистора 3 соединен с эмиттером верхнего транзистора 2, между коллектором транзистора 1 и базой транзистора 2 включен источник постоянного напряжения 4, входной сигнал подается на базу нижнего транзистора 1, а выходной сигнал снимается с эмиттера верхнего транзистора 2. Двухполюсник, состоящий из транзистора 3 и источника напряжения 5, выделенный штриховой линией, имеет характеристику ток - падение напряжения, близкую к функции, обратной по отношению к передаточной характеристике транзистора 1.

Двухполюсник на транзисторе 3 заменяется одной или несколькими параллельно включенными диодно-резисторными цепочками, дающими суммарную характеристику ток - напряжение, близкую к функции, являющейся обратной по отношению к передаточной функции транзистора 1.

Для улучшения работы усилителя при малых токах покоя параллельно двухполюснику включен резистор 6 относительно большой величины, изменяющий начальный участок характеристики ток - напряжение двухполюсника.

Для достижения более высокой линейности в усилитель вводится цепь отрицательной обратной связи, охватывающая преимущественно и предварительный усилитель.

Усилитель для повышения КПД переводится в режим, отличный от режима класса А, с отсечкой тока транзистора 2.

Устройство работает следующим образом.

Варианты усилителя, выполненные на биполярных транзисторах и на полевых транзисторах, не имеют существенных отличий в работе. Дальнейшее описание относится к усилителю на полевых транзисторах с изолированным затвором (MOSFET). Усилитель на полевых транзисторах с изолированным затвором (фиг.2) имеет топологию, аналогичную изображенной на фиг.1.

Дополнительный источник напряжения 5 исключен. Для улучшения работы усилителя при малых токах покоя параллельно двухполюснику включен резистор 6 относительно большого номинала, так, что его включение изменяет только начальный участок характеристики ток - падение напряжения двухполюсника (штрихпунктирная линия на фиг.3).

Режим работы усилителя определяется входным напряжением U0 и током покоя 10. Этот режим определяется величиной напряжения источника 4. Управляющее напряжение транзистора 2 равно разности напряжения источника 4 и падения напряжения на транзисторе 3. Падение напряжения на транзисторе 3 является функцией тока стока транзистора 1. Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток для полевых транзисторов не является линейной, на активном участке передаточной характеристики эта зависимость во многих случаях близка к квадратичной. В случае использования вместо транзистора 3 резистора, как в прототипе, управляющее напряжение транзистора 2 также будет иметь квадратичную составляющую, наличие которой приводит к дополнительным искажениям и ограничению тока, который транзистор 2 может отдать в нагрузку.

На графиках фиг.3 приведены зависимости падения напряжения на резисторах разной величины (R_a<R_b) и транзисторе 3, от входного напряжения усилителя. График, соответствующий транзистору 3 сдвинут по вертикальной оси на величину напряжения отсечки транзистора 3, так как при протекании тока через полевой транзистор напряжение на его затворе не может быть меньше, чем напряжение отсечки. Ток, протекающий через резистор 6, изменяет начальный участок графика. Сдвиг характеристики ток - напряжение обеспечивает запас по напряжению управления верхнего транзистора 2, что необходимо для нормальной работы усилителя при малых токах покоя.

На фиг.4 приведены зависимости управляющего напряжения транзистора 2 от входного напряжения для двух разных резисторов (R_a<R_b) и транзистора 3. Все три кривые для наглядности проходят через точку Р, это достигается выбором величины напряжения источника 4. В случае применения резисторов в точках А и В происходит запирание (отсечка тока) транзистора 2, а точками А1 и В1 ограничивается максимальное управляющее напряжение транзистора 2. В случае применения транзистора 3 управляющее напряжение транзистора 2 зависит от входного напряжения линейно (с отрицательным наклоном), а диапазон линейно усиливаемых входных сигналов максимальный.

Ток стока полевых транзисторов мало зависит от напряжения затвор-исток. Поэтому зависимости тока стока транзистора 1 Il=f(U_вх) и падения напряжения на транзисторе 3 I1=φ(I1) являются взаимно обратными функциями. Вследствие этого U3=U_вх. График для транзистора 3 на фиг.3 и фиг.4 является прямой линией.

В случае одинаковых передаточных характеристик всех транзисторов усилителя, близких к квадратичной, зависимость тока нагрузки, равного разности токов транзисторов 1 и 2 от приращения входного сигнала, является линейной:

I_вых=I(U₀+ΔU)- I(U₀+ΔU)=2AΔU.

Здесь коэффициент А зависит от крутизны передаточной характеристики используемых транзисторов. Данная линейная зависимость сохраняется во всем диапазоне рабочих температур усилителя при условии равенства температур кристаллов транзисторов.

Распределение токов в усилителе показано на фиг.5. Здесь показаны графики токов транзисторов 1 и 2 (11, 12) и выходного тока усилителя (I_вых). Из графиков фиг.5 и расчетов следует, что максимальный выходной ток усилителя в линейном режиме класса А равен четырехкратному току покоя. При синусоидальном входном сигнале максимальный КПД усилителя в этом режиме теоретически равен 66,6%.

Для достижения более высоких значений КПД усилитель переводится в режим работы, отличный от режима класса А. В этом режиме транзистор 1 работает без отсечки тока, а транзистор 2 входит в режим отсечки плавно. Гармоники высших порядков в выходном токе при этом незначительны. Для работы в этом режиме в усилитель должна быть введена цепь отрицательной обратной связи, которая преимущественно охватывает и предварительный усилитель.

На фиг.3 напряжения U1, U2 и U3 соответствуют максимальной величине напряжения AU, которое при работе усилителя может подаваться на затвор транзистора 2. При напряжении U0, близком к напряжению отсечки транзистора (что соответствует малым токам покоя), напряжения U1 и U2 малы, поэтому ток, который может отдать в нагрузку верхний транзистор 2, тоже мал. Следовательно, усилитель - прототип в режиме малых токов покоя работать не может даже при наличии обратной связи. Усилитель с двухполюсником на транзисторе 3 при наличии обратной связи работоспособен даже при токе покоя, который соответствует участку характеристики, обозначенному на фиг.3 штриховой линией.

Графики напряжений и токов в усилителе при синусоидальном входном воздействии для режима класса А приведены на фиг.6:

А - входное напряжение усилителя;

В - ток стока транзистора 1;

С - ток стока транзистора 2;

D - выходное напряжение усилителя при сопротивлении нагрузки равном 8 Ом.

Графики напряжений и токов в усилителе при синусоидальном входном сигнале для режима отличного от режима А приведены на фиг.7:

А - входное напряжение усилителя;

В - ток стока транзистора 1;

С - ток стока транзистора 2;

D - выходное напряжение усилителя при сопротивление нагрузки, равном 8 Ом.

На графиках В и С (фиг.6 и фиг.7) вся шкала по вертикали соответствует току 3 А. Шкала по горизонтали соответствует 100 микросекундам. Графики фиг.6 и фиг.7 для достижения точности построены с помощью симулятора.

Из графиков фиг.7 следует, что при работе усилителя в режиме, отличном от режима А, входной сигнал отличается от синусоидального. Эти предыскажения возникают автоматически при введении отрицательной обратной связи, охватывающей преимущественно и предварительный усилитель. В данном случае наличие предыскажений сигнала, поступающего на затвор входного транзистора 1, является необходимым для нормальной работы усилителя. Графики напряжений в характерных точках усилителя и токов транзисторов 1 и 2, а также их первые производные по времени не имеют разрывов. Поэтому переходные искажения в усилителе отсутствуют.

Таким образом, заявленная схема усилителя позволяет уменьшить нелинейные и интермодуляционные искажения, ограничить спектр искажений преимущественно низшими гармониками, расширить динамический диапазон входных сигналов, повысить энергетическую эффективность усилителя.

1. Транзисторный усилитель с параллельным управлением, содержащий два одинаковых биполярных транзистора или два одинаковых полевых транзистора с изолированным затвором или два одинаковых полевых транзистора с p-n переходом, включенных по питанию последовательно, и источник напряжения смещения, включенный между коллектором (стоком) нижнего транзистора и базой (затвором) верхнего транзистора, причем входной сигнал подается на базу (затвор) нижнего транзистора, а нагрузка подключается к эмиттеру (истоку) верхнего транзистора, отличающийся тем, что между коллектором (стоком) нижнего транзистора и эмиттером (истоком) верхнего транзистора включен двухполюсник, для которого функция, выражающая зависимость между током и падением напряжения, является обратной по отношению к функции, выражающей зависимость между входным напряжением и током коллектора (стока) нижнего транзистора.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что двухполюсник представляет собой транзистор, идентичный двум другим транзисторам усилителя, между коллектором (стоком) и базой (затвором) которого включен дополнительный источник напряжения смещения, величина и полярность которого обеспечивают работу транзистора двухполюсника на активном участке выходной вольт-амперной характеристики, а выводами двухполюсника являются эмиттер (исток) и коллектор (сток) транзистора.

3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что двухполюсник представляет собой транзистор, идентичный двум другим транзисторам усилителя, между коллектором (стоком) и базой (затвором) которого включен дополнительный источник напряжения смещения, обеспечивающий работу транзистора на активном участке выходной вольт-амперной характеристики, между эмиттером (истоком) и коллектором (стоком) транзистора включен резистор, который оказывает существенное влияние только на начальный участок характеристики ток - падение напряжения двухполюсника, а выводами двухполюсника являются эмиттер (исток) и коллектор (сток) транзистора.

4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что двухполюсник представляет собой одну или несколько параллельно включенных цепочек, каждая из которых состоит из одного или нескольких последовательно включенных в прямом направлении диодов и резистора, причем их суммарная характеристика ток - падение напряжения аппроксимирует функцию, обратную по отношению к функции, выражающей зависимость между входным напряжением и током коллектора (стока) нижнего транзистора.

5. Усилитель по п.2 или 3, отличающийся тем, что в нем напряжение дополнительного источника напряжения смещения, включенного между стоком (коллектором) и затвором (базой) транзистора, образующего двухполюсник, равно нулю, т.е. затвор (база) этого транзистора соединен с его стоком (коллектором).