Двухтактный усилитель мощности

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 F 3/26

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4890594/09 (22) 10.12.90 (46) 15.01.93. Бюл. М 2 (71) Рязанское конструкторское бюро | лобус" (72) И.B,Ôèøèí (56) Авторское свидетельство СССР

hh 1 179518, кл. Н 03 F 3/26, 1983. (54) ДВУХТАКТНЪ|Й УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в измеритель„„5U„„1788567 А1 ной, связной и звукопроизводящей аппаратуре. Цель — расширение частотного диапазона и увеличение максимальной выходной мощности при сохранении стабильности режима по току. Цель обеспечивается за счет выделения в каждое плечо двухтактного усилителя мощности дополнительного транзистора 15(16), в эмиттеры транзисторов 5(6) вторых резисторов 9(10), между базами транзисторов 5, 15 и 6, 16 источников смещения 13(14), а также резисторов обратной связи 11(12), 1 ил, 4

1788567

Изобретение отйосится к радиотехнйке и может быть использовано в измерительной, связной и звуковоспроизводящей аппаратуре.

Известен двухтактный усилитель мощности, содержащий в каждом плече дифференциальный каскад, к выходу которого подключена база транзистора, коллектор которого соединен с коллектором транзиСтора другого плеча и с неинвертирующими входами дифференциальных каскадов, при этом инвертирующие входы дифференциальных каскадов обоих плеч через соответствующий источник смещения соединены и являются входом двухтактного усилителя мощности, а его выходом является точка соединения коллекторов транзисторов обоих плеч.

Недостатком усилителя является плохая стабильность режима по постоянному току.

Этот недостаток устранен в двухтактном усилителе мощности. который выбран в качестве прототипа и содержит в каждом плече дифференциальный каскад, к выходу которого подключена база транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом резистора, при этом инвертирующие входы дифференциальных каскадов обоих плеч через соответствующие источники смещения соединены и являются входом двухтактного усилителя мощности, точка соединения коллектора транзистора и первого вывода резистора соединена с неинвертирующим входом дифференциального каскада данного плеча, вторые выводы резисторов обоих плеч соединены и являются выходом двухтактного усилителя мощности.

В прототипе достигается высокая стабильность режима по постоянному току.

Между коллекторами транзисторов включены резисторы, которые являются датчиками тока для обратной связи. Их наличие приводит к снижению максимальной мощности и служит причиной сужения диапазона рабо. чих частот из-за резкого увеличения йелинейных искажений с повышением частоты усиливэемого сигнала при работе выходных транзисторов в экономичном режиме АВ, это можно пояснить следующим образом.

При отсутствии входного сигнала вы,ходные транзисторы обоих плеч открыты и находятся в режиме покоя. Между коллекторами выходных транзисторов через резисторы течет ток покоя, который стабилизируется за счет отрицательной обратной связи.

Под действием входного напряжения положительной полярности в нервом плече

25

30 задержкой по отношению к изменению по35

45

50 вертирующие входы дифференциальных каскадов обоих плеч через соответствующие

20 увеличивается ток коллектора выходного транзистора, эмиттер которого подключен к источнику питания положительной полярности. Это приводит к увеличению падения напряжения на резисторе этого плеча, Если выходные транзисторы усилителя работают в режиме АВ, то во время протекания максимального тока коллектора выходного транзистора падение напряжения йа резисторе этого плеча во много раз превышает сумму ЭДС источников смещения, включенных между инвертирующими входами дифференциальных каскадов, и дифференциальный каскад. другого плеча вместе с выходным транзистором закрыт.

При изменении полярности входного сигнала с положительной на отрицательную, выходной транзистор первого плеча. закрывается, выходной транзистор второго плеча открывается благодаря изменению выходных токов дифференциальных каска-. дов. Уменьшение выходного тока дифференциэльного каскада первого плеча, который .находился в линейном режиме, происходит быстрее нарастания выходноготока дифференциального каскада второго плеча из-за того, что о» находился в закрытом состоянии. Поэтому изменение полярности выходного сигнала происходит с лярности входного сигнала, что служит причиной возникновения нелинейных искажений, величина которых растет с ростом скорости изменения полярности при увеличении частоты входного сигнала, Это приводит к сужению диапазона рабочих частот входного сигнала,усиливаемого с допустимым уровнем нелийейных искажений по сравнению с аналогами.

Цель изобретения — расширение частотного диапазона и увеличение максимальной выходной мощности при сохранении стабильности режима по постоянному току.

Цель изобретения достигается тем, что в двухтактный усилитель мощности, содердащий в каждом плече дифференциальный каскад, к выходу которого подключена база транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом резистора, при этом инисточники смещения соединены и являются входом двухтактного усилителя мощности, а точка соединения коллектора транзистора и первого вывода резистора соединена с неинвертирующим входом дифференциального каскада данного плеча, между эмиттером транзистора каждого плеча и соответствующей шиной питания введены вторые резисторы, вторые выводы первых резисторов

1788567 соединень, с общ> и шиной, а в каждое плечо введен дополнительный 1рэнзистор той же структуры, что и транзистор данного плеча, змиттер дополнительного транзистора соединен с соответствующей шиной питания, 5 коллектор является выходом плеча, при этом в каждом плече между базами транзистора и дополнительного транзистора введен дополнительный источник смещения, а между коллекторами — резистор обратной 10 связи.

Вторые резисторы обеспечивают работу первых транзисторов в режиме класса А при максимальном выходном сигнале.

Резисторы обратной связи вместе с 15 первыми резисторами образуют делители выходного напряжения в цепи обратной связи и служат для снижения амплитуды переменного напряжения на коллекторах первых транзисторов, а также на входах 20 дифференциальных каскадов в целях предотвращения снижения максимального выходного напряжения всего усилителя из-за введения вторых резисторов и дополнительных источников смещения. 25

Дополнительные источники смещения необходимы для стабилизации режима по постоянному току дополнительных транзисторов, для чего в каждом плече величина

ЭДС дополнительного источника должна 30 быть равна падению напряжения на втором резисторе, а первый и дополнительный транзисторы в одном плече должны иметь одинаковые параметры. При этом сохраняется стабильность режима по постоянному 35 току как в прототипе.

Дополнительные транзисторы работают в режиме класса AB и обеспечивают основной выходной ток усилителя.

Введение в каждое плечо двухтактного 40 усилителя мощности дополнительного транзистора вместе со вторым резистором, -резистором обратной связи и дополнительным источником смещения приводит к тому, что при изменении тока коллектора допол- 45 нител ьного транзистора одного плеча от минимальной до максимальной величины дифференциальный каскад и первый транзистор другого плеча остается открытым и при быстром изменении полярности вход- 50 ного напряжения нарастание выходного тока дифференциального каскада в этом плече происходит без задержки, связанной с его отпиранием, что имеет место в прототипе. 55

Это приводит к расширению диапазона частот усиливаемого сигнала с допустимым уровнем нелинейных искажений при сохранении стабилизации режима по постоянному току всего усилителя.

Вместе с тем в предложенном усилителе отсутствуют потери выходного сигнала в цепи протекания выходного тока усилителя через эмиттер и коллектор дополнительных транзисторов, что служит повышению максимальной выходной мощности, Предложенная совокупность признаков проявляет новое свойство: дифференциальные каскады обоих плеч работают без отсечки выходного тока с отсутствием потерь выходной мощности усилителя при сохранении стабилизации режима по постоянному току всех элементов.

Предложенной совокупности существенных признаков с проявлением указанных выше свойств в известных технических решениях не обнаружено.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема предлагаемого усилителя.

Двухтактный усилитель мощности содержит первые источники 1, 2 напряжения смещения, дифференциальные каскады 3, 4 с симметричным входом и одиночным выходом, первые транзисторы 5, 6, первые резисторы 7, 8, вторые резисторы 9, 10, резисторы обратной связи 11, 12, дополнительные источники 13. 14 напряжения смещения, дополнительные транзисторы 15, 16.

Транзисторы 5, 15 имеют прямой тип проводимости, а транзисторы 6, 16 — обратный.

Входом усилителя являются соединенные отрицательный полюс источника 1 и положительный полюс источника 2 напряжения смещения, вторые полюса которых подключены к инвертирующим входамдифференциальных каскадов 3 и 4 соответственно.

Выходы дифференциальных каскадов 3, 4 соединены с базами транзисторов 5, 6, эмиттеры которых через резисторы 9, 10 подключены к источникам питания положительной и отрицательной полярности соответственно, а коллекторы соединены с неинвертирующими входами дифференциальчых каскадов 3, 4 и первыми выводами резисторов 7, 11 и 8, 12 соответственно, Вторые выводы резисторов 7, 8 подключены к общему проводу, а вторые выводы резисторов 11, 12 соединены с выходом усилителя.

Выход дифференциального каскада 3 подключен к отрицательному полюсу источника 13 напряжения смещения, положительный полюс которого соединен с базой транзистора 15, эмиттер которого подключен к источнику питания положительной полярности, а коллектор соединен с выходом усилителя.

1788567

Овых — Uex + Е2

Окб = Uex Е2 = н8(12

1кб ) 35

1 (2) где Ок5, Окб — потенциал коллектора транзисторов 5, 6;

Ueх — напряжение на входе усилителя; 40

Е1, Е2 — ЭДС источников 1, 2 смещения; г1т, RG. R11, R12 сопротивления резисторов 7, 8, 11, 12;

1кб, 1кб — ток коллектора транзисторов 5, 6; 45

Ue» — напряжение на выходе усилителя

При равенстве сопротивлений соответствующих резисторов и ЭДС источников напряжения смещения обоих плеч из 50 выражений (1) и (2) следует:

1к5 + 1кб Е

2 — р СОЛЬ! .

R! + RÔ! (3)

ГдЕ 1к5, 1 б —. тОК КОЛЛЕКтОра траНЗИСтсрОВ 5, 6;

Š— ЭДС источников 1, 2 смещения;

Выход дифференциального каскада 4 подключен к положительному полюсу источника 14 напряжения смещения, отрицательный полюс которого соединен с базой транзистора 16, эмиттер которого подклю- 5 чен к источнику питания отрицательной полярности, а коллектор соединен с выходом усилителя, Усилитель работает следующим образом, 10

При напряжении на входе, равном нулю, через резисторы 7, 8, 11, 12 протекает ток коллектора покоя транзисторов 5, 6, величина которого стабилизируется за счет отрицательной обратной связи по току, 15 напряжение которой с резисторов ?, 8, 11, 12 подается на неинвертирующие входы каскадов 3, 4 соответственно.

Для обеспечения максимальной стабильности тока покоя транзисторов 5, 6 ве- 20 личина ЭДС источников 1, 2 смещения должна быть много больше дифференциального напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входом каскадов 3, 4 вместе с падением напряжения на резисто- 25 рах 7, 8, 11, 12, создаваемым входными токами каскадов 3, 4, При выполнении этого условия справедливы следующие выражения:

Ок5 =- Uex+ Е1 = Й7(1к5+ ) (1)

Овых Овх — E1

R11

R — сопротивление резисторов 7, 8;

R — сопротивление резисторов 11, 12.

При стабилизации тока коллектора покоя транзисторов 5, 6 напряжение на резисторах 9, 10 тоже стабилизируются.

Если в каждом плече усилителя величина ЭДС второго источника 13(14) смещения равна напряжению на втором резисторе

9(10), то напряжение между базой и эмиттером первого 5(6) и второго 15(16) транзисторов равны, поэтому при равенстве параметров и температур кристаллов транзисторов их токи эмиттера тоже равны в широком диапазоне температур окружающей среды и сохраняют стабильность, Если величина ЭДС второго источника

13(14) напряжения смещения меньше напряжения на втором резисторе 9(10) или равна нулю, то происходит снижение стабильности тока коллектора покоя выходных транзисторов 15(16) по сравнению с прототипом, При увеличении положительного напряжения на входе усилителя ток коллектора транзисторов 6, 16 уменьшается, а ток коллектора транзисторов 5, 15 увеличивается до тех пор транзистор 15 не перейдет в режим насыщения: величина выходного напряжения становится близка ЭДС источника питания.

Сопротивление резистора 7(8) выбирают таким образом, чтобы потенциал на коллекторе транзистора 5(6) при максимальном выходном напряжении усилителя был ниже (выше) потенциала на его базе и он оставался в линейном режиме. Это необходимо для получения максимального выходного напряжения усилителя, близкого к ЭДС источников питания, что больше чем в прототипе, При этом максимальный ток коллектора транзистора 15, работающего в режиме АВ, значительно больше, чем при отсутствии входного сигнала, а ток коллектора транзистора 5, работающего в режиме А, по сравнению с режимом покоя увеличивается незначительно благодаря наличию в цепи эмиттера резистора 9.

Из выражения (3) видно, что сумма токов коллектора транзисторов 5 и 6 постоянна.

Следовательно, ток коллектора транзистора 6 уменьшается ровно на столько, на сколько увеличился ток коллектора транзистора 5, и при максимальном положительном выходном напряжении усилителя транзистор 6 вместе с дифференциальным каскадом 4 остаются открыты.

При изменении полярности входного напряжения с положительной на отрицательную ток коллектора транзисторов 5, 15

1788567

Составитель В,Фишин

Техред М.Моргентал Корректор В.Петраш

Редактор

Заказ 76 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 уменьшается, а ток коллекторов транзисторов 6. 16 увеличивается.

Выходной ток дифференциального каскада 4 и ток коллектора транзистора 6 начинают увеличиваться с некоторого значения, 5 близкого току покоя, что исключает временную задержку, связанную с их отпиранием, и приводит к увеличению максимальной скорости изменения полярности входного сигнала, усиливаемой без искажений (сту- 10 пеньки), Формула изобретения

Двухтактный усилитель мощности, содержащий в каждом плече дифференциальный каскад, к выходу которого подключена 15 база транзистора, коллектор которого соединен с первым выводом первого резистора, при этом инвертирующие входы дифференциальных каскадов обоих плеч через соответствующие источники смещения 20 соединены и являются входом двухтактного усилителя мощности, точка соединения коллектора транзистора и первого вывода первого резистора соединена с неинвертирую- щим входом дифференциального каскада данного плеча, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и увеличения максимальной выходной мощности при сохранении стабильности режима по постоянному току, эмиттер транзистора каждого плеча подключен через введенный второй резистор к соответствующей шине питания, вторые выводы первых резисторов соединены с общей шиной, а в каждое плечо введены дополнительный транзистор той же структуры, что и транзистор данного плеча, эмиттер которого соединен с соответствующей шиной питания, коллектор является выходом плеча, при этом в каждом плече между базами транзистора и дополнительного транзистора введен дополнительный источник смещения, а между коллекторами — резистор обратной связи.