Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов



Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов

 


Владельцы патента RU 2536378:

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

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов в цепи нагрузки широкополосного усилителя мощности с инвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов содержит инвертирующий выходной каскад, вход которого связан со входом устройства и источником входного напряжения, цепь нагрузки, подключенную к выходу устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада. Вход инвертирующего выходного каскада связан со входом устройства и источником входного напряжения через первый дополнительный резистор, между входом и выходом устройства включены последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы, общий узел которых подключен ко входу неинвертирующего корректирующего каскада, токовый выход которого соединен со входом инвертирующего выходного каскада. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов по мощности, в структурах буферных усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения.

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные инвертирующие усилители мощности (ШУМ). Они являются основой различных аудиосистем, радиопередающих устройств, драйверов и т.п.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема широкополосного усилителя мощности фиг.1, представленная в патенте US 5.237.526 fig.1b, 1a, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1-14]. Во многих практических случаях выходной каскад ШУМ реализуется по схеме с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.2), причем такое решение ШУМ является классическим для его многих применений [10-14].

Существенный недостаток известного ШУМ фиг.1 (фиг.2) состоит в том, что он имеет повышенный уровень нелинейных искажений, который характеризуется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШУМ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШУМ [11, 13, 14].

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов в цепи нагрузки широкополосного усилителя мощности с инвертирующим выходным каскадом.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе мощности фиг.1, содержащем инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3, цепь нагрузки 4, подключенную к выходу 5 устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - вход инвертирующего выходного каскада 1 связан со входом 2 устройства и источником входного напряжения 3 через первый 6 дополнительный резистор, между входом 2 и выходом 5 устройства включены последовательно соединенные второй 7 и третий 8 дополнительные резисторы, общий узел которых 9 подключен ко входу корректирующего каскада 10, токовый выход которого 11 соединен со входом инвертирующего выходного каскада 1.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлен пример практической реализации инвертирующего выходного каскада 1.

На фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема заявляемого устройства фиг.3 для моделирования эффекта коррекции нелинейных искажений из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего выходного каскада 1. При этом инвертирующий выходной каскад 1 реализован здесь по традиционной схеме на операционном усилителе с параллельной обратной связью по напряжению на элементах 12-17.

На фиг.5 представлена схема широкополосного усилителя мощности фиг.3 в среде PSpice при сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм, а также при частоте входного сигнала fc=1 кГц, uвх=100 мВ и напряжении шума (uош), моделирующего нелинейные искажения: uош=10 мВ, fш=5 кГц.

На фиг.6 показана зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.5 от частоты при крутизне преобразователя 10 «напряжение-ток» S=0 (корректирующего каскада 10) и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм.

На фиг.7 приведена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.5 от частоты при крутизне преобразователя 10 «напряжение-ток» (корректирующего каскада 10) S=1 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора RO=R6=1 кОм.

На фиг.8 представлена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ рис.4 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=30 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм.

На фиг.9 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice при сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом, uвx=100 мВ, fc=1 кГц, uош=10 мВ, fш=5 кГц.

На фиг.10 приведена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.9 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=0 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом.

На фиг.11 показана зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.9 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=30 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом.

Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов (фиг.2) содержит инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3, цепь нагрузки 4, подключенную к выходу 5 устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада 1. Вход инвертирующего выходного каскада 1 связан со входом 2 устройства и источником входного напряжения 3 через первый 6 дополнительный резистор, между входом 2 и выходом 5 устройства включены последовательно соединенные второй 7 и третий 8 дополнительные резисторы, общий узел которых 9 подключен ко входу корректирующего каскада 10, токовый выход которого 11 соединен со входом инвертирующего выходного каскада 1.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве корректирующего каскада 10 может использоваться преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.

На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве корректирующего каскада 10 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.

На фиг.4 инвертирующий выходной каскад 1 реализован по схеме с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (резисторы 12, 13) на усилительных каскадах 14, 15 и элементах частотной коррекции 16, 17, определяющих максимальную скорость нарастания выходного напряжения выходного каскада 1 (ϑвых).

Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.3, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в инвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений uош.

Физический смысл эффекта подавления шумов в усилителе мощности фиг.3 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 fш=5 кГц):

u 9 = R 7 R 7 + R 8 u о ш u о ш 2 .

При этом следует заметить, что в узле 9 отсутствует входной усиливаемый сигнал uвx с рассматриваемой в данном случае частотой 1 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 9 двух его противофазных составляющих uвх и uвых=-uвх.

Выделенная таким образом ошибка u9≈uош/2 вводится (благодаря резистору 6) во входную цепь выходного каскада 1 и корректирующего каскада 10 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение uош, генерируемое этим выходным каскадом.

Рассмотрим далее результаты моделирования. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 10 (S10=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений uош полностью передается в нагрузку 4. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 5 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 5 кГц имеет амплитуду uвых=10 мВ.

При введении цепи коррекции 10, имеющей крутизну S10=1 См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.2 с частотой 5 кГц уменьшается в 500 раз с 10 мВ до 20 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления uош достаточно для многих применений. Дальнейшее увеличение крутизны S10 обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно.

При малых значениях сопротивления резистора R0=R6=50 Ом (фиг.9) также реализуется подавление шумов в базовой схеме (фиг.10, 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 ШУМ позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения устройства в целом при малых значениях ϑвых в выходном инвертирующем каскаде 1.

Источники информации

1. Патент RU 2274946 fig.1b.

2. Патент US 5.512.856.

3. Патент US 5.237.526.

4. Патент US 6.707.339.

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

6. Патентная заявка US 2005/0231277 fig.1.

7. Патент US 4.215.317.

8. Патентная заявка US 2005/0024141.

9. Патент US 6.127.888.

10. Патент US 5.745.587.

11. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е. Полонников. - М., 1983. - стр.141, рис.4.14.

12. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.259.

13. 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.

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

1. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов, содержащий инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3), цепь нагрузки (4), подключенную к выходу (5) устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада (1), отличающийся тем, что вход инвертирующего выходного каскада (1) связан со входом (2) устройства и источником входного напряжения (3) через первый (6) дополнительный резистор, между входом (2) и выходом (5) устройства включены последовательно соединенные второй (7) и третий (8) дополнительные резисторы, общий узел которых (9) подключен ко входу неинвертирующего корректирующего каскада (10), токовый выход которого (11) соединен со входом инвертирующего выходного каскада (1).

2. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов по п.1, отличающийся тем, что в качестве неинвертирующего корректирующего каскада (10) используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.

3. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов по п.1, отличающийся тем, что в качестве неинвертирующего корректирующего каскада (10) используется усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в различных аналоговых устройствах на полевых и биполярных транзисторах в качестве выходного (буферного) усилителя.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в усилителях мощности передатчиков. Достигаемый технический результат - повышение энергетической эффективности и повышение линейности.

Изобретение относится к области формирования предыскажений для радиочастотных усилителей и может использоваться в приемных устройствах. Достигаемый технический результат - осуществление предварительного предыскажения для эффективной обработки входного сигнала, компенсации нелинейных эффектов усилителя.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемного усилителя активных фазированных антенных решеток (АФАР) со встроенной системой тестирования и калибровки, где требуются высокие показатели чувствительности.

Настоящее изобретение относится к схеме беспроводной связи. Беспроводная схема в электронном устройстве содержит схему выходного усилителя мощности для усиления передаваемых сигналов радиочастоты.

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в области радиосвязи и радиолокации. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом малошумящем полосовом балансном усилителе СВЧ, содержащем два однокаскадных транзисторных усилителя, включенных между входным и выходным каскадно-соединенными трехдецибельными направленными ответвителями, выходы транзисторных усилителей подключены к входам выходного трехдецибельного направленного ответвителя через линии передачи, соединенные последовательно с полосно-пропускающими фильтрами, отражающими энергию за пределами полосы пропускания, причем фазовый набег ϕ каждой линии передачи на частоте, расположенной в области подъема АЧХ входных согласующих цепей транзисторных усилителей, составляет φ = [ a r c t g ( − j X f j Z ) + a r c t g ( − j X T j Z ) ] Технический результат заключается в существенном улучшении интермодуляционной избирательности радиоприемников при сохранении высокой чувствительности.
Изобретение относится к вычислительной и микропроцессорной технике и предназначено для защиты электронной аппаратуры от выхода из строя вследствие перенапряжений на линиях передачи сигналов.

Изобретение относится к многопортовым усилителям и может быть использовано в системе спутниковой связи. .

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для периодической компенсации дрейфа нуля в усилителях при усилении малых напряжений и измерительных сигналов от источников с большим выходным сопротивлением.

Изобретение относится к передающим устройствам и может найти применение в бортовой аппаратуре командно-измерительных систем (БА КИС) космических аппаратов. Технический результат заключается в уменьшении массы и снижении энергопотребления. Резервированный усилитель мощности (РУМ) для БА КИС содержит разветвитель с несколькими входами, каждый выход которого соединен с входом одного из двух маломощных усилителей, выходы которых соединены с входами двух мощных усилителей через устройство перекрестного резервирования, и три выхода РУМ, два из которых являются выходами мощных усилителей, при этом каждый маломощный и каждый мощный усилитель подключены к своему источнику вторичного электропитания, каждый из которых включается внешней командой. В качестве устройства перекрестного резервирования применен переключатель, содержащий два входа, которые коммутируются синхронно: либо первый его вход к первому его выходу, соединенному с входом одного мощного усилителя, а второй его вход ко второму выходу переключателя, являющемуся вторым выходом РУМ, либо первый вход ко второму его выходу, а второй вход к третьему выходу, соединенному с входом второго мощного усилителя. 1 ил.

Изобретение относится к области транзисторных усилителей электрических сигналов. Технический результат заключается в снижении нелинейных интермодуляционных и других видов искажений, ограничении их спектра, расширении диапазона входных сигналов и повышении КПД транзисторного усилителя. Технический результат достигается за счет того, что в усилителе с параллельным управлением резистор, включенный между коллектором нижнего транзистора и эмиттером верхнего транзистора, заменен на двухполюсник, характеристика ток - падение напряжения которого является функцией, обратной по отношению к функции, описывающей передаточную характеристику нижнего транзистора. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и может быть использовано для создания устройств усиления и частотной демодуляции. Достигаемый технический результат - увеличение линейного участка частотной демодуляционной характеристики и увеличение динамического диапазона. Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов основан на использовании устройства, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, при этом четырехполюсник выполняют резистивным, а значения его параметров выбирают в соответствии с заданными математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 3 ил. .

Группа изобретений относится к области радиоэлектроники и системам управления и может быть использована для регулирования уровня выходного сигнала генераторов в широком частотном диапазоне. Техническим результатом является обеспечение гибкой настройки закона управления в регуляторе, а также обеспечение внесения корректирующих параметров. Система для реализации способа состоит из аналоговой и цифровой частей. Аналоговая часть включает блок управления уровнем, направленный ответвитель, диодный детектор, усилитель. Цифровая часть состоит из ПЛИС, АЦП и ЦАП. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к коррекции искажений, вносимых в сигнал усилителем радиочастоты. Технический результат заключается в определении коэффициентов устройства внесения предыскажений с учетом характеристик усилителя для всего занятого частотного спектра. Способ определения коэффициентов устройства внесения предыскажений, включает выборку отсчетов сигнала на входе устройства внесения предыскажений для получения множества отсчетов входного сигнала и выборку отсчетов сигнала на выходе усилителя для получения множества отсчетов выходного сигнала, каждый из которых соответствует одному отсчету входного сигнала; вычисление показателя качества для одного или нескольких отсчетов входного сигнала по одному или нескольким отсчетам входного сигнала; выборочное обновление ранее выбранной серии отсчетов входного сигнала одним или несколькими отсчетами входного сигнала в соответствии с вычисленным показателем качества для получения обновленной выбранной серии отсчетов входного сигнала; и определение коэффициентов устройства внесения предыскажений на основе отсчетов входного сигнала в обновленной выбранной серии отсчетов и соответствующих отсчетов выходного сигнала. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к усилительной технике и может быть использовано в усилителях мощности звуковой частоты, которые нагружены на акустические системы. Технический результат - расширение линейной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по звуковому давлению в области низких частот. Усилитель, нагруженный на электроакустический преобразователь, включает усилительный элемент, конденсатор, петлю положительной обратной связи, фильтр нижних частот, или фильтр верхних частот, или петлю отрицательной обратной связи с конденсатором, или петлю отрицательной обратной связи с фильтром нижних частот, или сигнал положительной обратной связи оцифровывают для формирования АЧХ, усилитель образует полосовой фильтр. Способ коррекции АЧХ усилителя, нагруженного на электроакустический преобразователь, характеризуется тем, что регулируют глубину положительной обратной связи в зависимости от уровня выходного сигнала. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области усилителей аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот цепи смещения статического уровня. Широкополосная цепь смещения статического уровня в транзисторных каскадах усиления и преобразования сигналов содержит входной транзистор (1), база которого соединена с источником входного сигнала (2), коллектор подключен к первой (3) шине питания, а эмиттер через согласующий резистор (4) соединен с выходом устройства (5), вспомогательный транзистор (6), коллектор которого подключен к выходу устройства (5), эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник (7) связан со второй (8) шиной источника питания, а база соединена с источником напряжения смещения (9), корректирующий конденсатор (10), неинвертирующий усилитель напряжения (11), вход которого подключен к выходу устройства (5). Выход неинвертирующего усилителя напряжения (11) связан с эмиттером вспомогательного транзистора (6) через корректирующий конденсатор (10). 8 ил.

Изобретение относится к элементам приемных систем и предназначено для усиления принимаемых СВЧ сигналов с одновременным обеспечением защиты по входу от синхронных и несинхронных помех. Техническим результатом является повышение стабильности усиления при ограничении по мощности сигнала, подаваемого на вход малошумящего усилителя. Малошумящий приемно-усилительный модуль (МПУМ) состоит из защитного устройства, малошумящего усилителя и двух ферритовых вентилей, которые выполнены в виде единого блока ферритовых вентилей, между защитным устройством и блоком ферритовых вентилей установлена четвертьволновая волноводная скрутка, а входной и выходной волноводные каналы малошумящего приемно-усилительного модуля размещены в одной плоскости, при этом поляризации сигнала в них ортогональны. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к усилительным устройствам и может быть использовано в мощных передатчиках. Достигаемый технический результат - уменьшение модуляционных нелинейностей и уменьшение нелинейных искажений. Усилительное устройство для начального сигнала (s), имеющего начальную частоту (f), содержит определитель (2) входного сигнала, который определяет на основе начального сигнала (s) первый входной сигнал (s1), который подается на первый усилитель (3), и второй входной сигнал (s2), который подается на второй усилитель (4), общий элемент связи (5), который на основе выходных сигналов (S1, S2) формирует полезный сигнал (N) и сигнал потерь (V), выпрямительное устройство. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх