Широкополосный усилитель мощности

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.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в т.ч. ВЧ и СВЧ диапазонов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные неинвертирующие усилители (ШНУ), обеспечивающие усиление по мощности и преобразование входных сигналов [1-15].

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ШНУ фиг.1, представленная в патенте US 5.512.859, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1÷17]. Во многих практических случаях выходной неинвертирующий каскад ШНУ реализуется по схеме с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3), причем такое решение ШНУ является классическим для его многих применений [16-17].

Существенный недостаток известного ШНУ фиг.1 (фиг.2, фиг.3) состоит в том, что он характеризуется повышенным уровнем нелинейных искажений, который измеряется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШНУ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШНУ [16, 17].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1 (фиг.2, фиг.3), содержащем 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, предусмотрены новые элементы и связи - 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.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена функциональная схема усилителя-прототипа фиг.1.

На чертеже фиг.3 показана схема, соответствующая чертежу фиг.2, в которой дан конкретный пример построения неинвертирующего выходного каскада 1 со стабильным коэффициентом передачи на основе операционного усилителя А1 и резисторов R1 и R2.

На чертеже фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения uош моделирует генерацию нелинейных искажений в схеме фиг.4, обусловленных неинвертирующим выходным каскадом 1, а также шумов и наводок различной природы. Как правило, это вторая, третья и другие гармоники основного сигнала uвх.

На чертеже фиг.5 приведена схема фиг.4 в среде PSpice, на базе которой проведено компьютерное исследование заявляемого (G≠0) и известного (G=0) устройств. Здесь корректирующий каскад 7 моделируется элементом G1 с крутизной Gain.

На чертеже фиг.6 показан спектр выходного напряжения модели устройства фиг.5 при значении крутизны (S7=Gain) корректирующего каскада 7 Gain=0 при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также при напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения ШНУ с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. При таком режиме изменений в схеме фиг.5 спектр фиг.6 соответствует прототипу.

На чертеже фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S7=Gain корректирующего каскада 7 S7=Gain=1 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Сравнение чертежей фиг.6 и фиг.7 показывает, что амплитуда третьей гармоники на выходе заявляемого устройства фиг.5 при S7=Gain≠0 уменьшилась (за счет новых связей) с 1 мВ до 1,65 мкВ, т.е. более чем в 500 раз.

На чертеже фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S7=Gain=2 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась в сравнении с фиг.6 более чем в 1400 раз.

На чертеже фиг.9 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S7=Gain=3 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась в сравнении с фиг.6 более чем в 2600 раз.

На чертеже фиг.10 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S7=Gain=5 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 в сравнении с фиг.6 уменьшилась более чем в 5000 раз.

На чертеже фиг.11 показан график подавления 3-й гармоники выходного сигнала в заявляемом ШНУ фиг.5 от значения крутизны G1 корректирующего каскада 7. Из данных графиков следует, что для десятикратного подавления третьей гармоники необходимо, чтобы G1=0,021 См. Для подавления третьей гармоники в 100 раз необходимо выбрать G1=0,19 См и т.д.

Широкополосный усилитель мощности фиг.4 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.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 7 может использоваться преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.

Кроме этого, на чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 7 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.

Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.4, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в неинвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений uош с частотой третьей гармоники 30 кГц.

Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 связан, во-первых, с выделением в узле 9 сигнала ошибки u9~uош, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих uош на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой 30 кГц):

u 9 = R 10 R 12 + R 10 u о ш . ( 1 )

В частном случае при R10=R12

u 9 = u о ш 2 . ( 2 )

При этом следует заметить, что в узле 9 отсутствует входной усиливаемый сигнал uвх с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 9 двух его равных, но противофазных составляющих uвх и -uвых.

Выделенная таким образом ошибка u9≈uош 12 (при R10=R12) вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 7 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение uош, генерируемое этим выходным каскадом.

Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7.

При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 7 (S7=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений uош полностью передается в нагрузку 5. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 6 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 30 кГц имеет амплитуду uвых=1 мВ.

При введении цепи коррекции 7, имеющей крутизну S7=l См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.5 с частотой 30 кГц уменьшается в 606 раз с 1 мВ до 1,65 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления uош достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S7 обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно (фиг.11).

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по уровню подавления нелинейных искажений и шумов. Кроме этого, как показывает моделирование, предлагаемая структура широкополосного усилителя позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения ( ϑ вых) устройства в целом, когда выходной неинвертирующий

каскад 1 имеет малые значения ϑ вых.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.241.283, fig.6.

2. Патентная заявка US 2004/0080371.

3. Патентная заявка US 2006/0132238.

4. Патент JP 10242777.

5. Патент US 4.607.235.

6. Патентная заявка US 2006/0087369, fig. 6.

7. Патентная заявка US 2006/0220590.

8. Патент US 4.335.359.

9. Патент US 4.510.458.

10. Патент US 5.237.526, fig. 2 В.

11. Патентная заявка US 2005/0122170.

12. Патентная заявка US 2005/0035821.

13. Патент US 6.107.884, fig. 2.

14. Патент US 5.225.791.

15. Патентная заявка US 2002/00057592.

16. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: Монография. / Н.Н.Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.

17. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: Монография. / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.

1. Широкополосный усилитель мощности, содержащий 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), отличающийся тем, что 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. Широкополосный усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что в качестве корректирующего каскада (7) используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.

3. Широкополосный усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что в качестве корректирующего каскада (7) используется усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном.

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

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».

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.

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.

Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким КПД относится к области радиотехники для использования в качестве прецизионного УНЧ, созданного на основе полупроводниковых приборов.

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.

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.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей. Техническим результатом является уменьшение искажений, возникающих при усилении сигнала. Устройство содержит первый сумматор, два идентичных нелинейных усилителя мощности, первый вычитатель и второй сумматор, фазовращатель на угол 90°, второй вычитатель, фильтр нижних частот, нелинейный преобразователь, ограничитель, нелинейный преобразователь, перемножитель и пиковый детектор. 1 ил.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией. Достигаемый технический результат - уменьшение искажений, возникающих при усилении сигнала. Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей содержит сумматор, два идентичных нелинейных усилителя мощности, фазовращатель на угол 90°, ограничитель, блок формирования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой (далее - блок формирования), блок преобразования первой составляющей входного сигнала устройства с постоянной амплитудой во вторую составляющую входного сигнала с постоянной амплитудой (далее - блок преобразования), при этом блок преобразования содержит фазовращатель на угол 90°, перемножитель и смеситель, блок формирования содержит фазовый детектор, пиковый детектор, нелинейный преобразователь, осуществляющий преобразование отношения поступающих на его входы сигналов по закону арксинуса, и фазовый модулятор. 1 ил.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к ключевым усилителям высокой частоты, и может быть использовано в радиопередатчиках. Технический результат изобретения заключается в улучшении линейности усиления ключевых усилителей мощности за счет существенного снижения уровня гармоник четных порядков в спектре усиливаемого сигнала. Технический результат достигается за счет ключевого усилителя, в котором высокочастотный сигнал с выхода предварительного усилителя, работающего в режиме усиления класса «А», преобразуется широтно-импульсным модулятором в ряд прямоугольных импульсов, при сложении которых воспроизводится входящий сигнал на новом уровне мощности. Усилитель имеет существенно более низкий уровень гармоник четных порядков по сравнению с известными ключевыми усилителями при сохранении требований также к подавлению гармоник нечетных порядков. 3 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в широкополосных радиопередатчиках. Технический результат заключается в преобразовании энергии высших гармоник в энергию постоянного тока и возвращении этой энергии источнику питания. В усилителе используют мостовую схему сложения мощности вместо балластного резистора электрической цепи, содержащей широкополосное согласующее устройство, двухполупериодный выпрямитель, накопительный конденсатор, дроссель и ограничительный диод, что обеспечивает возвращение части энергии полезного сигнала источнику питания радиопередатчика, повышая его КПД. 1 ил.

Изобретение относится к микросхемам СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных планарных индуктивностей. Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью содержит первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, причем затвор первого (1) входного полевого транзистора соединен со входом устройства (10), вторую (11) шину источника питания. Сток первого (1) входного полевого транзистора связан с выходом устройства (5) и подключен к затвору второго (2) входного полевого транзистора. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к генераторам управляемым напряжением. Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки частоты при сохранении нижнего предела диапазона частот и возможности создания генератора в монолитном исполнении. В генератор дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, две индуктивности - вторая и третья, разделительный конденсатор и низкочастотный фильтр питания, при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через разделительный конденсатор и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр питания, при этом величина третьей индуктивности в пять раз меньше величины второй индуктивности, а величину емкости разделительного конденсатора определяют из определенного выражения. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами. В схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора. 4 ил.

Изобретение относится к области усилителей аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение значения верхней граничной частоты без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, первый выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения, второй выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору второго входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения. База первого выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через первый дополнительный резистор, база второго выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через второй дополнительный резистор, база первого выходного транзистора соединена с базой первого дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго выходного транзистора, база второго выходного транзистора соединена с базой второго дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого выходного транзистора, причем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны со второй шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, в условиях воздействия низких температур и радиации. Технический результат заключается в обеспечении радиационно-стойкого низкотемпературного дифференциального усилителя за счет р-канальных полевых транзисторов биполярно-полевого технологического процесса. Истоки, соответствующие выходам полевых транзисторов, соединены со стоками соответствующих входов транзистора, затвор одних выходов полевых транзисторов соединен с затворами других соответствующих полевых транзисторов и истоки одних входов полевых транзисторов через первый двухполюсник связан с шиной источника питания, а истоки других первых полевых транзисторов через второй двухполюсник соединены с объединяющим затвором вспомогательным затвором вспомогательного транзистора. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

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, вход которого связан со входом устройства и источником входного напряжения через согласующий резистор, цепь нагрузки, подключенную к выходу устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада. В схему введен корректирующий каскад, токовый выход которого соединен со входом неинвертирующего выходного каскада, между входом устройства и входом корректирующего каскада включен первый дополнительный резистор, а выход устройства связан со входом корректирующего каскада через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель и второй дополнительный резистор. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Наверх