Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким кпд

Авторы патента:

Галялтдинов Мансур Кешафович (RU)

Нурмамятов Илья Алиллаевич (RU)

Фаттахов Яхъя Валиевич (RU)

Фахрутдинов Альберт Ринатович (RU)

H03F3/00 - Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы

Владельцы патента RU 2514928:

ООО "Градиент МРТ" (RU)

Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким КПД относится к области радиотехники для использования в качестве прецизионного УНЧ, созданного на основе полупроводниковых приборов. Достигаемый технический результат - достижение прецизионности и малых значений коэффициента нелинейных искажений при высоких значениях КПД. Прецизионный усилитель аналоговых сигналов содержит буферный усилитель, мощный усилитель класса D с высоким КПД, линейный усилитель с малым коэффициентом нелинейных искажений, общий усилитель обратной связи, фильтр нижних частот, при этом входной аналоговый сигнал одновременно поступает на прецизионный линейный усилитель с малым коэффициентом нелинейных искажений и мощный усилитель класса D с высоким КПД, выходные сигналы складываются на сумматоре, оба канала охвачены общей обратной связью. 1 ил.

Область техники.

Данный усилитель аналоговых сигналов относится к области радиотехники для использования в качестве прецизионного усилителя низких частот большой мощности, созданного на основе полупроводниковых приборов.

Уровень техники.

Известен усилитель мощности, работающий в классе D по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Принцип его работы состоит в том, что усиливаемый аналоговый сигнал преобразуется в ШИМ-последовательность, далее импульсы ШИМ-последовательности усиливают, после чего ШИМ-последовательность демодулируют, выделяя, таким образом, усиленный аналоговый сигнал. Такой усилитель обеспечивает высокие показатели КПД, однако не обеспечивает достаточной линейности и прецизионности, особенно в области малых сигналов.

Помимо этого известен аналоговый усилитель мощности на полупроводниковых элементах, работающий в линейном режиме и обладающий низким показателем коэффициента нелинейных искажений в области малых сигналов, однако имеющий низкие показатели КПД.

Раскрытие изобретения.

В качестве прототипа был выбран гибридный усилитель цифровых сигналов (патент RU 2281607 С2), основанный на принципе разбиения динамического диапазона усиливаемого сигнала на две области - область малых значений и область больших значений, и далее раздельное усиление полученных в результате такой сепарации сигналов. Повышение качества усиленного сигнала обеспечивается за счет усиления слабого сигнала маломощным аналоговым прецизионным усилителем, а сильного - экономичным мощным усилителем, работающим в режиме класса D.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, обусловлен тем, что входной аналоговый сигнал не разделяется на различные каналы усиления, а одновременно заводится на прецизионный линейный усилитель (поз.2 на фиг.) и мощный двухтактный усилитель класса D (поз.3 на фиг.). После фильтра нижних частот выходной сигнал импульсного усилителя складывается с выходным сигналом аналогового усилителя, при этом оба канала усиления охвачены общей обратной связью. Сложение происходит таким образом, что в результирующем сигнале основную долю составляет сигнал, усиленный усилителем класса D, а небольшие сигналы ошибки, обусловленные особенностями работы импульсного усилителя, отрабатываются прецизионным аналоговым усилителем, в результате чего достигается прецизионность и малые значения коэффициента нелинейных искажений при высоких значениях КПД прибора.

За счет изменения коэффициента усиления усилителя обратной связи достигается возможность менять коэффициент усиления всего усилителя в широких пределах в отличие от прототипа. Наличие общей обратной связи позволяет получить стабилизированный ток через нагрузку усилителя независимо от ее меняющихся параметров, что расширяет область его применения.

Поскольку система работает с аналоговыми сигналами, она лишена в отличие от прототипа погрешностей дискретизации и квантования и является действительно прецизионной. Система может работать с сигналами низкой частоты (от 0 Гц до 20 кГц), что обусловлено собственной частотой импульсного источника, работающего по принципу ШИМ.

Двухтактный усилитель предложенной компоновки обладает большей надежностью по сравнению с прототипом: при выходе из строя аналогового усилителя система остается полностью работоспособной, лишь появляются небольшие искажения, присущие усилителям класса D в области малых сигналов. В подобной ситуации прототип либо не будет работать совсем, если Uвx1(t) меньше U1(t), либо появятся существенные искажения, если Uвx1(t) больше U1(t), т.к. за усиление малых сигналов отвечает только аналоговый усилитель.

Прецизионный усилитель аналоговых сигналов отвечает требованию поставленной задачи объединения положительных качеств приборов подобного класса с целью получения высоких показателей КПД при сохранении высоких показателей линейности и прецизионности, а также увеличиваются показатели стабильности работы прибора.

Описание блок-схемы.

Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким КПД состоит из буферного усилителя (поз.1), необходимого для согласования входного сигнала, сигнал от которого поступает на прецизионный линейный усилитель (поз.2) и мощный двухтактный усилитель класса D (поз.3). Далее сигнал от блоков усиления поступает на сумматор (поз.4) и на нагрузку. Общий сигнал обратной связи с последовательно подключенного к нагрузке опорного сопротивления через ПИД-регулятор (поз.5) подается на прецизионный линейный усилитель и мощный двухтактный усилитель класса D.

Двухтактный усилитель аналоговых сигналов, содержащий буферный усилитель, усилитель класса D с высоким КПД, линейный усилитель с малым коэффициентом нелинейных искажений, общий усилитель обратной связи, фильтр нижних частот, отличающийся тем, что входной аналоговый сигнал не разделяется на различные каналы усиления, а одновременно поступает на прецизионный линейный усилитель и мощный усилитель класса D, выходные сигналы складываются на сумматоре таким образом, что в результирующем сигнале основную долю составляет сигнал, усиленный усилителем класса D, а небольшие сигналы ошибки, обусловленные особенностями работы такого усилителя, отрабатываются прецизионным аналоговым усилителем.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов, аналого-цифровых преобразователях, RC-фильтрах, инструментальных усилителях и т.п.

Широкополосный каскодный усилитель // 2513486

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).

Двунаправленный свч усилитель // 2504895

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно к двунаправленным СВЧ усилителям. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двунаправленность усиления достигается путем применения циркуляторов или направленных ответвителей вместо коммутаторов на входах устройства.

Контактный модулятор тока // 2490782

Дифференциальный усилитель с нулевым уровнем выходных статических напряжений // 2488954

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (видеоусилителей, операционных усилителей, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).

Избирательный усилитель // 2488953

Избирательный усилитель // 2488952

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Избирательный усилитель с парафазным выходом // 2487466

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. .

Усилитель мощности свч // 2487465

Способ линеаризации характеристик свч усилителя (варианты) // 2487464

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике и может быть использовано для создания мощных усилителей СВЧ с высокой степенью линейности характеристик и соответственно низким уровнем нелинейных искажений усиливаемого сигнала.

Широкополосный усилитель на основе каскада с общей базой (или с общим эмиттером) // 2515538

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например в высокочастотных усилителях, компараторах, преобразователях сигналов и т.п. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты широкополосного усилителя (ШУ) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в рабочем диапазоне частот. ШУ на основе каскада с общей базой (или общим эмиттером) содержит входной каскад (1), управляющий вход которого (2) связан с источником сигнала (3), двухполюсник коллекторной нагрузки (4), включенный между шиной источника питания (5) и коллекторным выходом (6) входного каскада (1), паразитный конденсатор (7), включенный между коллекторным выходом (6) входного каскада (1) и общей шиной (8) источника питания. В схему введен неинвертирующий буферный усилитель (9), вход которого соединен с коллекторным выходом (6) входного каскада (1), а выход (10) является выходом устройства, и дополнительный транзистор (11), база которого соединена с источником вспомогательного напряжения (12), коллектор подключен ко входу неинвертирующего буферного усилителя (9), эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник (13) соединен с общей шиной источников питания (8), причем выход устройства (8) связан с эмиттером дополнительного транзистора (11) через дополнительный конденсатор (14). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном // 2517681

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона ИУ за счет ослабления влияния частоты единичного усиления f1 основного ОУ на частоту квазирезонанса f0. Устройство содержит основной операционный усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого включен первый частотозависимый резистор, первый и второй частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом основного операционного усилителя и его инвертирующим входом, второй частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом последовательно включенных частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения, первую и вторую шины источников питания, второй частотозадающий резистор включен между общим узлом первого и второго частотозадающих конденсаторов и первой шиной источника питания, источник входного напряжения соединен с инвертирующим входом дополнительного преобразователя «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя, общая эмиттерная цепь дополнительного преобразователя «напряжение-ток» подключена ко второй шине источника питания, а токовый выход дополнительного преобразователя «напряжение-ток» соединен с общим узлом частотозадающих конденсаторов. 15 ил.

Управляемый усилитель и смеситель аналоговых сигналов на базе дифференциального каскада дарлингтона // 2519348

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого с входов канала «X» зависит от уровня сигнала управления канала «Y». Технический результат заключается в улучшении подавления основной гармоники за счет смесителей аналоговых сигналов. Технический результат достигается за счет управляемого усилителя и смесителя аналоговых сигналов на базе дифференциального каскада Дарлингтона, который содержит первый (1) и второй (2) источники противофазных входных напряжений, базы первого (3) и второго (4) входных транзисторов, эмиттер первого (3) входного транзистора, первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, первый (6) источник питания, эмиттер второго (4) входного транзистора, второй (7) токостабилизирующий двухполюсник, первый (6) источник питания, третий (8) входной транзистор, эмиттер четвертого (9) входного транзистора, третий (10) токостабилизирующий двухполюсник, дифференциальную цепь нагрузки (11), второй (12) источник питания, первый (13) и второй (14) выходы устройства. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Измерительный усилитель с управляемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики // 2519429

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в увеличении затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно стабильной добротности Q амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИУ и большом коэффициенте усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0. Измерительный усилитель с управляемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики содержит источник сигнала, входной дифференциальный каскад, корректирующие конденсаторы, шины источника питания, токовые выходы входного дифференциального каскада, токостабилизирующие двухполюсники, токовое зеркало, эмиттер. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Комплементарный дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы // 2519544

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада операционного усилителя для дифференциального сигнала, а также получение граничных напряжений его проходной характеристики iвых=f(uвх) на уровне Uгр=0.4÷0,8 В. Комлементарный дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, входы (3), (4) устройства, первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, источник опорного тока (7), первый (8) и второй (9) токоограничивающие резисторы, первый (10) и второй (11) последовательно соединенные вспомогательные резисторы, вспомогательный прямосмещенный p-n переход (12), общий узел (13), первую группу противофазных токовых выходов (14, 15), вторую группу противофазных токовых выходов (16, 17), эмиттерный p-n переход дополнительного транзистора (18), шину (19) источника питания. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Выходной каскад усилителя мощности на основе комплементарных транзисторов // 2523947

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а именно к устройствам усиления мощности. Технический результат: повышение на несколько порядков входного сопротивления ВК и его коэффициента усиления по току при достаточно высоком уровне стабильности сквозного тока выходных транзисторов. Устройство содержит: первый (1) и второй (2) выходные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны с выходом устройства (3), первую (4) шину питания, связанную с коллектором первого (1) выходного транзистора, вторую (5) шину источника питания, соединенную с коллектором второго (2) выходного транзистора, вход устройства (4) соединен с затворами первого (6) и второго (7) входных транзисторов с управляющим р-n-переходом, стоки которых подключены ко второй (5) шине источника питания, база первого (1) выходного транзистора соединена с истоком первого (6) входного транзистора и стоком первого (8) вспомогательного транзистора, затвор которого подключен к первой (4) шине источника питания, а исток связан с первой (4) шиной источника питания, база второго (2) выходного транзистора соединена с истоком второго (7) входного транзистора и стоком второго (9) дополнительного транзистора, затвор которого соединен с первой (4) шиной источника питания, а исток соединен с первой (4) шиной источника питания через первую (10) цепь последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Измерительный усилитель с резонансной амплитудно-частотной характеристикой // 2523953

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи. Техническим результатом является - увеличение затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно стабильной добротности Q амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИУ и большом коэффициенте усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0. Измерительный усилитель с резонансной амплитудно-частотной характеристикой содержит: источник входного сигнала (1), базу первого (2) входного транзистора, второй (3) входной транзистор, выход (4) устройства, первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, первую (6) шину источника питания, токовое зеркало (7), вторую (8) шину источника питания, выход (9), второй (10) токостабилизирующий двухполюсник, первый (11) корректирующий конденсатор, общую шину источников питания (12), второй (13) корректирующий конденсатор, вход (14), дополнительный резистор (15). 6 ил.

Зарядочувствительный предусилитель // 2526756

Изобретение относится к области электроники, а именно к предварительным усилителям для съема сигналов с детекторов ионизирующих излучений при использовании длинной кабельной линии в схемах амплитудной спектрометрии и для регистрации ядерных излучений. Техническим результатом является увеличение динамической емкости предусилителя. Устройство содержит входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью, причем в зарядочувствительном предусилителе входной полевой транзистор и каналы усиления тока включают каскодно-дифференциально так, что сток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, исток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора, и коллекторы этих транзисторов подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, а величины резисторов нагрузок биполярных транзисторов выбирают из условия минимизации входного шума. 3 ил.

Широкополосный усилитель мощности // 2527202

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности содержит неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1). В схему введен корректирующий каскад (7), токовый выход которого (8) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1), между входом устройства (2) и входом (9) корректирующего каскада (7) включен первый (10) дополнительный резистор, а выход устройства (6) связан со входом (9) корректирующего каскада (7) через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель (11) и второй (12) дополнительный резистор. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки // 2538324

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширении диапазона его рабочих частот. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки содержит источник сигнала, связанный со входом буферного каскада, выход которого подключен к конденсатору цепи нагрузки. Выход буферного каскада соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения и выходом усилителя тока, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения и входом усилителя тока включен корректирующий многополюсник. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.