Широкополосный усилитель мощности



Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности
Широкополосный усилитель мощности

Владельцы патента RU 2527202:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

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.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2014-08-27 2014-08-27T09:56:13
Наверх