Линейный усилитель мощности

 

Линейный усилитель мощности содержит разделительный конденсатор (1), делитель напряжения на двух резисторах (Р) (3,4), токоограничивающий Р (9), первый, второй, третий, четвертый транзисторы (Т) (5,11,12,15), третий, четвертый, пятый Р (8,13,17). Коллекторы первого и второго Т (5 и 11) соединены. Базы второго и третьего Т (11,12) соединены. Эмиттеры третьего Т (12) подключены к первой шине питания. Эмиттер четвертого Т (15) соединен с коллектором третьего Т (12). Коллектор четвертого Т (15) подключен к пятому Р (17) и является выходом усилителя. Технический результат: линейность усиления больших сигналов без использования обратной отрицательной связи, предотвращение влияния разброса характеристик транзисторов и температуры на режим работы усилителя. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к устройствам усиления мощности, а более конкретно касается линейного усилителя мощности.

Данное изобретение может быть использовано в высококачественных усилителях мощности звуковой частоты, усилителях видеосигнала, усилителях радиочастоты, линейных усилителях переменного и постоянного тока.

Известен усилитель мощности (Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники": Т.1 Пер. с анг., М.: Мир, 1993, стр. 93, рис. 2.38), содержащий транзистор, разделительный конденсатор, первый, второй резисторы, резисторы в цепи коллектора и эмиттера. Разделительный конденсатор подключен первым концом к первой клемме для подключения входного сигнала. Первый и второй последовательно соединенные резисторы образуют делитель напряжения. Общая точка соединения резисторов подключена к базе транзистора и ко второму концу разделительного конденсатора. Второй конец второго резистора подсоединен к первой шине питания. Первый конец первого резистора подключен ко второй шине питания. Третий резистор подключен к эмиттеру транзистора одним концом, а другим ко второму концу второго резистора. Также делитель имеет второй конденсатор), один конец которого соединен с эмиттером транзистора.

Данный усилитель имеет высокий коэффициент искажений большого сигнала, зависимость коэффициента усиления от типа и характеристик отдельного транзистора, зависимость режима работы от температуры. Это происходит из-за нелинейности сопротивления эмиттерного перехода. Данный усилитель невозможно применять как линейный усилитель больших сигналов с заданным коэффициентом усиления без применения обратной отрицательной связи.

В основу изобретения положена задача создания линейного усилителя мощности, позволяющего за счет нового схематического решения достичь линейности усиления больших сигналов без использования обратной отрицательной связи, предотвратить влияние разброса характеристик транзисторов на режим усиления и предотвратить влияние температуры на режим работы усилителя.

Поставленная задача решается тем, что в линейном усилителе мощности, содержащем разделительный конденсатор, подключенный первым концом к первой клемме для подключения входного сигнала, усилитель напряжения, выполненный на двух последовательно соединенных резисторах, общая точка которых подключена к базе первого транзистора, второй конец второго резистора подключен к первой шине питания, а первый конец первого резистора подключен ко второй шине питания, третий резистор, первый конец которого соединен с эмиттером первого транзистора согласно изобретению, второй конец разделительного конденсатора соединен со второй шиной питания, второй конец третьего резистора подключен ко второй шине питания, а также линейный усилитель мощности содержит токоограничивающий резистор, первый конец которого подключен ко второй клемме для подключения входного сигнала, а второй его конец соединен с общей точкой резисторов делителя напряжения, второй транзистор, эмиттер которого подключен к первой шине питания, а коллектор соединен с коллектором первого транзистора, база второго транзистора соединена с коллектором первого транзистора, третий транзистор, база которого подключена к базе второго транзистора, а его n эмиттеров подключены к первой шине питания, четвертое сопротивление, первый конец которого подключен к коллектору третьего транзистора, а второй его конец подключен к третьей шине питания, четвертый транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором третьего транзистора, база его соединена с четвертой шиной питания, а коллектор подключен к первому концу пятого сопротивления и является выходом линейного усилителя мощности, а другой конец пятого сопротивления подключен к третьей шине питания.

Данное изобретение позволяет достичь линейности усиления больших сигналов без применения обратной отрицательной связи, что расширяет динамический диапазон усилителя и сильно уменьшает интермодуляционные искажения. Также данное изобретение предотвращает влияние разброса характеристик используемых транзисторов на режим усиления. И еще, предотвращает влияние температуры на режим работы усилителя. Также данное изобретение использует стандартные, широко используемые в промышленности элементы, которые широко взаимозаменяемы по типажу в зависимости от требуемой выходной мощности и других характеристик усилителя.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения и сопровождающим чертежом, на котором изображена блок-схема линейного усилителя мощности, согласно изобретению.

Линейный усилитель мощности содержит разделительный конденсатор 1, подключенный первым концом к первой клемме 2 для подключения входного сигнала, делитель напряжения, выполненный на двух последовательно соединенных резисторах 3,4, общая точка соединения которых подключена к базе первого транзистора 5. Второй конец второго резистора 4 подключен к первой шине 6 питания, а первый конец первого резистора 3 подключен ко второй шине 7 питания. Усилитель содержит третий резистор 8, первый конец которого соединен с эмиттером первого транзистора 5. Второй конец разделительного конденсатора 1 соединен со второй шиной 7 питания. Второй конец третьего резистора 8 подключен также ко второй шине 7 питания. Также линейный усилитель мощности содержит токоограничивающий резистор 9, первый конец которого подключен ко второй клемме 10 для подключения входного сигнала, а второй его конец соединен с общей точкой соединения резисторов 3, 4 делителя напряжения. Усилитель имеет второй транзистор 11, эмиттер которого подключен к первой шине 6 питания, а коллектор соединен с коллектором первого транзистора 5. База второго транзистора 11 соединена с коллектором первого транзистора 5. Усилитель содержит также третий транзистор 12, база которого подключена к базе второго транзистора 11, а его n эмиттеров 12₁. ..12_n, подключены к первой шине 6 питания, четвертое сопротивление 13, первый конец которого подключен к коллектору третьего транзистора 12. Второй конец сопротивления 13 подключен к третьей шине 14 питания. Усилитель имеет четвертый транзистор 15, эмиттер которого соединен с коллектором третьего транзистора 12, база его соединена с четвертой шиной 16 питания. Коллектор транзистора 15 подключен к первому концу пятого сопротивления 17 и является выходом линейного усилителя мощности. Другой конец пятого сопротивления 17 подключен к третьей шине 14 питания.

По направлению стрелок А показано протекание токов в данной схеме.

Работает данный линейный усилитель мощности следующим образом.

На входные клеммы 2, 10 подается сигнал, который через ограничивающий резистор 9 и разделительный конденсатор 1 поступает на вход первого каскада. Транзистор 5 включен по системе эмиттерного повторителя, а значит, напряжение на его эмиттере повторяет напряжение на его базе. Напряжение на базе транзистора 5 есть сумма входного напряжения и напряжения смещения. Напряжение смещения создается делителем напряжения, выполненного на резисторах 3,4. Таким образом, напряжение U₁ на резисторе 8 будет равно: U₁ = U₂+U₃ (1), где U₂ - переменное напряжение, подаваемое на вход усилителя, U₃ - напряжение смещение, созданное резисторами 3,4 и равно (2) где U₄ напряжение, подаваемое с источника 7 питания.

По закону Ома ток I₁, протекающий через резистор 8, будет равен: I₁=U₁/R₈=(U₂+U₃)/R₈ (3) В свою очередь: (4) Тогда
I₁=U₁/R₈=[U₂+U₄·R₄/(R₃+ R₄)]/R₈ (5)
Полученный ток подается на вход токового зеркала на транзисторах 11 и 12. Как известно (Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники": Пер. с анг., М. : Мир, 1998, стр. 98, рис. 2.51), на выходе токового зеркала создается ток, кратный отношению площади эмиттерного перехода выходного транзистора 12 к площади эмиттерного перехода входного транзистора 11. Таким образом, получаем, что ток на выходе токового зеркала равен:
I₂ = I₃ · N = I₁ · N (6),
где I₂ - ток, протекающий в коллекторе выходного транзистора 12 токового зеркала,
I₃ - ток, протекающий через эмиттер транзистора 11,
N - отношение площадей эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12.

Далее ток протекает через транзистор 15, включенный по каскадной схеме и через резистор 13. Транзистор 15 включен таким образом, что напряжение на его эмиттере постоянно и равно напряжению подаваемого с источника 16 питания. Тогда напряжение U₅ на резисторе R₁₃ будет равно:
U₅=U₆-U₇=U₆-U₈, (7),
где U₆ - напряжение, подаваемое с источника 14 питания,
U₇ - напряжение на эмиттере транзистора 15,
U₈ - напряжение, подаваемое с источника 16 питания.

Ток I₄, протекающий через резистор R₁₃, равен:
I₄=U₅/U₁₃=(U₆-U₈)/R₁₃ (8).

Тогда ток I₅, протекающий через транзистор 15, будет равен:
I₅=I₂-I₄=l₁·N-(U₆-U₈)/R₁₃=N·[U₂+U₄·R₄/(R₃+R₄)]/R₈-(U₆-U₈/R₁₃= N·U₂/R₈+N·U₄·R₄/(R₃+R₄)/R₈-(U₆-U₈)/R₁₃ (9).

Из этой формулы видно, что единственный член формулы является переменной составляющей N=U₂/R₈. Остальные члены формулы есть постоянные величины, задающие режим работы усилителя по постоянному току. Причем видно, что режим работы усилителя не зависит от коэффициентов усиления транзисторов и от температуры.

Ток I₆, протекающий через нагрузку, равен току, протекающему через транзистор 15:
I₆ = I₅ (10).

По закону Ома напряжение U₁₀ на сопротивлении нагрузки, т.е. на резисторе 17, равно:
U₁₀=I₇·R₁₇ (11),
где R₁₇ - сопротивление нагрузки.

Тогда переменная составляющая напряжения dU₁₀ на нагрузке будет равна:
dU₁₀ = N·U₂·R₁₇/R₈ (12).

Таким образом, коэффициент К усиления усилителя есть постоянная величина, не зависящая от коэффициентов усиления транзисторов 5, 11, 12, 15, 17 и температуры, и равна:
K=N·U₂·R₁₇/R₈/U₂=N·R₁₇/R₈ (13).

Если коэффициент К усиления усилителя есть постоянная величина, значит усилитель является линейным и не вносит искажений в сигнал.

Таким образом, данный линейный усилитель мощности позволяет достичь линейности усиления больших сигналов без использования обратной отрицательной связи, предотвратить влияние разброса характеристик транзисторов на режим усиления и предотвратить влияние температуры на режим работы усилителя.

Формула изобретения

Линейный усилитель мощности, содержащий разделительный конденсатор, подключенный первым концом к первой клемме для подключения входного сигнала, делитель напряжения, выполненный на двух последовательно соединенных резисторах, общая точка которых подключена к базе первого транзистора, второй конец второго резистора подключен к первой шине питания, а первый конец первого резистора подключен ко второй шине питания, третий резистор, первый конец которого соединен с эмиттером первого транзистора, отличающийся тем, что второй конец разделительного конденсатора соединен со второй шиной питания, второй конец третьего резистора подключен ко второй шине питания, а также линейный усилитель мощности содержит токоограничивающий резистор, первый конец которого подключен ко второй клемме для подключения входного сигнала, а второй его конец соединен с общей точкой резисторов делителя напряжения, второй транзистор, эмиттер которого подключен к первой шине питания, а коллектор соединен с коллектором первого транзистора, база второго транзистора соединена с коллектором первого транзистора, третий транзистор, база которого подключена к базе второго транзистора, а его n эмиттеров подключены к первой шине питания, четвертое сопротивление, первый конец которого подключен к коллектору третьего транзистора, а второй его конец подключен к третьей шине питания, четвертый транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором третьего транзистора, база его соединена с четвертой шиной питания, а коллектор подключен к первому концу пятого сопротивления и является выходом линейного усилителя мощности, а другой конец пятого сопротивления подключен к третьей шине питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1