Изобретение относится к усилителям мощности и может быть использовано, например, в миниатюрных слуховых аппаратах.
К основным параметрам мощности для слухового аппарата относят предельную амплитуду выходного напряжения на нагрузке и величину тока, потребляемого от источника питания 1. . .1,5 В. Среди известных схем усилителей минимальное потребление тока и максимальную амплитуду выходного напряжения обеспечивает двухтактный усилитель [1].
Известны двухтактные усилители мощности, содержащие выходной каскад, состоящий из n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры которых связаны с землей и шиной питания соответственно, а коллекторы соединены между собой и через конденсатор подключены к нагрузке [2,3]. Максимальная амплитуда напряжения выходного сигнала Uм определяется напряжением питания Eп и напряжением насыщения Uкн выходных транзисторов:
Uм = (Eп - 2Uкн)/2.
Известны двухтактные усилители мощности, содержащие выходной каскад из двух n-p-n-транзисторов, эмиттеры которых соединены с землей, а коллекторы подключены к катушке телефона, имеющей средний вывод [1,4]. Максимальная амплитуда выходного напряжения близка к напряжению питания:
Uм =Eп - Uкн.
Основным недостатком такого выходного каскада является использование катушки в режиме класса B, когда противофазные токи, генерируемые выходными транзисторами, протекают через половины обмотки. В режиме класса A такая схема неэкономична из-за большой постоянной составляющей выходного тока.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является двухтактный усилитель мощности [5], каждое плечо которого состоит из предварительного усилителя тока, в качестве которого используется эмиттерный повторитель Т12, R2 в первом плече или T14, R4 во втором, и выходного каскада, содержащего выходной n-p-n-транзистор, Т2 или Т4, эмиттер которого присоединен к земле, а коллектор - к выходу усилителя и коллектору p-n-p-транзистора, Т1 или Т3, база которого соединена с коллектором дополнительного p-n-p-транзистора другого плеча, Т6 или Т5. Эмиттеры транзисторов Т1 и Т3 связаны и через резистор Re подключены к шине питания. В схеме имеется дифференциальный усилитель Т5, Т6, входы которого присоединены к входам устройства, а эмиттерная цепь питается током генератора тока А1. Коллекторы транзисторов Т5, Т6 подключены к базам транзисторов Т3, Т1 и резисторам R3, R1 соответственно. Вторые выводы резисторов присоединены к выходу генератора тока Т8, R8, управляющий вход которого, база транзистора Т8, соединен с термокомпенсирующей цепочкой Т7, Re, на которой вырабатывается опорное напряжение с помощью генератора тока А2.
Статический режим работы схемы характеризуется равенством токов, протекающих в коллекторных цепях транзисторов Т1, Т2, Т3, Т4. Токи транзисторов Т2 и Т4 определяются величиной постоянной составляющей напряжения на входах усилителя, а токи Т1 и Т3 зависят от параметров схемы:
Iк = I1R8/Re-I2, (1)
где
I1, I2 - токи генераторов А1, А2. Постоянные составляющие коллекторных токов Т1, Т3 стабилизированы петлей отрицательной обратной связи, проходящей через переходы база-эмиттер транзисторов Т1, Т3, через транзистор в диодном включении Т7, переход база-коллектор инвертирующего транзистора Т8 и резисторы R1, R3.
Переменные составляющие входного напряжения ΔUc поступают в противофазе на вход дифференциального усилителя Т5, Т6. На базах транзисторов Т1, Т3 образуется разностная составляющая напряжения
ΔU1= ΔUcI1R/ϕт,
где
R=R1=R3. Транзисторы Т1, Т3 вырабатывают противофазные приращения токов
ΔIк1= (1/2)ΔUcI1RIк/ϕ
Они поступают в нагрузку усилителя. В то же время транзисторы Т2 и Т4 также преобразуют приращения входного сигнала в приращения коллекторных токов:
ΔIк2= ΔUcIк/ϕт. (3)
Приращения токов транзисторов Т1, Т4 Т2, Т3 должны быть равны и противоположны по направлению, иначе один из этих транзисторов попадает в режим насыщения. Приравнивая (2) и (3), получают условие равенства приращений: I1R = 2ϕт= 50 мВ.
Если один из транзисторов Т1 или Т3 закрывается, изменение коллекторного тока в сопряженном с ним транзисторе прекращается, поскольку даже небольшое приращение напряжения на базе открытого транзистора передается через петлю отрицательной обратной связи и компенсирует это приращение. Поэтому устройство сохраняет работоспособность только в режиме класса A с постоянной составляющей тока в каждом плече Iко. Ток, потребляемый от источника питания, не может быть меньше 2Iк.
Минимальное напряжение источника питания, 1,5 В, предопределяется падением напряжения на двух включенных последовательно переходах база-эмиттер транзисторов Т2, Т12 или Т4, Т14.
Основные недостатки прототипа состоят в большом потреблении тока от источника питания и высоком минимальном напряжении источника питания.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в уменьшении потребления тока от источника питания и снижении напряжения источника питания.
Указанный результат достигается тем, что в каждом плече эмиттер p-n-p-транзистора соединен с шиной питания, а его база соединена через резисторы с базой и коллектором p-n-p-транзистора другого плеча, эмиттер дополнительного n-p-n-транзистора подключен через резистор к земле, а его база соединена с выходом предварительного усилителя. Предварительный усилитель содержит первый, второй, третий, четвертый p-n-p-транзисторы, эмиттеры которых присоединены к шине питания, первый, второй, третий, четвертый n-p-n-транзисторы, три резистора, конденсатор и усилитель напряжения. Прямой вход усилителя напряжения соединен с коллектором первого n-p-n-транзистора и через резистор с шиной питания, инверсный вход связан с источником опорного напряжения, а выход соединен с базой четвертого n-p-n-транзистора и через резистор с базами второго и третьего n-p-n-транзиситоров и конденсатором, второй вывод которого подключен к земле. База первого n-p-n-транзистора соединена с входом двухтактного усилителя мощности, его эмиттер соединен с коллектором второго транзистора и через конденсатор с эмиттером одноименного транзистора другого плеча. Эмиттер второго n-p-n-транзистора присоединен к земле непосредственно, а эмиттеры третьего и четвертого - через резисторы. Коллектор третьего n-p-n-транзистора связан с коллектором и базой первого, а также с базой второго p-n-p-транзисторов. Коллектор четвертого n-p-n-транзистора соединен с коллекторами второго и третьего, а также с базами третьего и четвертого p-n-p-транзисторов. Коллектор четвертого p-n-p-транзистора соединен с выходами предварительного усилителя.
На чертеже представлена электрическая схема двухтактного усилителя мощности.
Устройство содержит выходной каскад и два предварительных усилителя ПУ1 и ПУ2. Выходной каскад состоит из двух выходных транзисторов 1,2, двух p-n-p-транзисторов 3,4, двух дополнительных n-p-n-транзисторов 5,6, эмиттеры которых подключены к земле через резисторы 7,8, и резисторы 9,10,11, соединяющих базы и коллекторы p-n-p-транзисторов. В состав каждого предварительного усилителя включены p-n-p-транзисторы 12, 13, 14, 15, n-p-n-транзисторы 16, 17, 18, 19, резисторы 20, 21, 22, 23, усилитель напряжения 24 и конденсатор 25. Эмиттеры транзисторов 16 связаны через конденсатор 26.
Устройство работает следующим образом.
В статическом режиме, когда переменная составляющая входного сигнала отсутствует, ток, протекающий через выходные транзисторы 1, 2, на 2-3 порядка меньше максимального, Такой режим работы устанавливается с помощью автономных предварительных усилителей. В каждом из них имеется петля отрицательной обратной связи, включающая транзистор 17. Его коллекторный ток проходит через транзистор 16, создавая падение напряжения на нагрузке 20, которое передается на базу транзистора 17 через усилитель напряжения 24 и интегрирующую цепь, состоящую из резистора 21 и конденсатора 25. Поскольку падение напряжения на резисторе 21 мало вследствие малости базовых токов транзисторов 2 и 3, напряжение на коллекторе транзистора 16 равно опорному напряжению Uоп, поступающему на инверсный вход усилителя напряжения. Ток, протекающий через резистор 20 и транзисторы 16, 17, поэтому равен
Iк1= (Eп - Uоп)/R20. (4)
Ток Iк1 не зависит от напряжения на базе транзистора 16, если один из транзисторов, 16 или 17, не попадает в состояние насыщения. Поэтому диапазон изменения постоянной составляющей входного напряжения находится в пределах
Uбэ + Uкн ≤ Uвх ≤ Uоп + Uбэ - Uкн, (5)
где
Uбэ и Uкн - падение напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора и на переходе коллектор-эмиттер в режиме насыщения.
При равенстве сопротивлений резисторов 22 и 23 коллекторные токи транзисторов 18 и 19 равны. Коллекторный ток транзистора 18 инвертируется токовым зеркалом на транзисторах 12, 13 и вычитается из коллекторного тока транзистора 19. Поэтому ток в токовом зеркале 14, 15 и собственно на входе выходного каскада или полностью отсутствует, или имеет небольшую величину. Но даже небольшой входной ток, усиленный дополнительными транзисторами 5, 6 выходного каскада, привел бы транзисторы 3, 4 в состояние насыщения в отсутствие резистивной цепи 9, 10, 11. Это привело бы к шунтированию нагрузки и уменьшению коэффициента передачи выходного каскада в области малых изменений переменной составляющей входного тока. Уменьшение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора 3 или 4 передается на его базу через сопротивление нагрузки и резисторы 11 или 9 соответственно, вызывая уменьшение тока транзистора и противофазное изменение напряжения на коллекторе. Если начальные коллекторные токи выходных 1, 2 и дополнительных 5, 6 транзисторов, Iво и Iдо, в плечах выходного каскада равны, а базовыми токами транзисторов 3, 4 можно пренебречь, можно найти зависимость между начальным током дополнительного транзистора и сопротивлением Rд=R9=R11, когда транзистор не находится в режиме насыщения:
Uбэо - Uкно ≥ IдоRд. (6)
Начальные коллекторные токи выходных и дополнительных транзисторов связаны зависимостью, вытекающей из равенства напряжений на их базах:
Uбо= ϕтln(Iво/Iко) = ϕтln(Iдо/Iко)+IдоRэд,
где Rэд=R7=R8,
или
ϕтln(Iво/Iдо) = IдоRэд. (7)
Зависимости (5) и (6) позволяют определить величину сопротивлений 9, 11 исходя из допустимого начального тока входного транзистора.
Переменная составляющая входного напряжения ΔUc усиливается дифференциальным усилителем, состоящим из транзисторов 16 двух предварительных усилителей, эмиттеры которых связаны между собой по переменной составляющей конденсатором 26. Переменная составляющая напряжения на коллекторе транзистора 16 ΔUcR20lк1/2 усиливается усилителем 24 в Kн раз и поступает на базу транзистора 19. В его нагрузке, транзисторе в диодном включении 14, появляется ток только от положительной переменной составляющей напряжения на базе транзистора 19, когда его коллекторный ток превышает ток транзистора 13. Этот ток ΔIп передается через токовое зеркало на транзисторах 14, 15 на вход выходного каскада:
ΔIп= Kн(ΔUc/2ϕт)(R20/R23)Iк1. (8)
Ток ΔIп вызывает приращение напряжения ΔUб, которое приводит к появлению токов ΔIв и ΔIд в коллекторах выходного 1 и дополнительного 5 транзисторов выходного каскада, причем токи ΔIв и ΔIд связаны между собой соотношением
ΔUб= ϕтln(ΔIв/Iко) = ϕтln(ΔIд/Iко)+ΔIдRэд,
откуда
ϕтln(ΔIв/ΔIд) = ΔIдRэд. (9)
Ток ΔIв= β1ΔIп поступает через выход усилителя в нагрузку и понижает напряжение на первом выходе. Ток ΔIд усиливается транзистором 4 до величины β2ΔIд и подается в противофазе на второй выход усилителя, препятствуя понижению напряжения на втором выводе нагрузки. Чтобы выходной транзистор 1 не попал в режим насыщения, коллекторный ток транзистора 4 должен превышать ток транзистора 1:
β2ΔIд≥ ΔIв. (10)
Подставляя (10) в (9), можно найти величину сопротивления резистора Rэд при заданном приращении тока нагрузки Iв:
Rэд≤ ϕтβ2lnβ2/ΔIв. (11)
Расчетная величина сопротивления резистора Rэд должна быть найдена для максимально возможного приращения тока нагрузки, когда напряжение питания максимально, сопротивление нагрузки минимально, а транзисторы 1 и 4 находятся в состоянии насыщения, когда
ΔIвmax= (Eпmax-2Uкн)/Rнmin. (12)
После подстановки (12) в (11)
Rэд≤ Rнminϕтβ2lnβ2/(Eпmax-2Uкн). (13)
При положительном приращении тока на входе транзистора 1 транзистор 3 обесточивается путем подачи на его базу напряжения, имеющего положительную полярность относительно потенциала базы транзистора 4, снимаемого с делителя напряжения 10, 11. Транзистор 3 можно считать практически открытым, если его коллекторный ток составляет, например, 0,25% от максимального тока транзистора 4, что соответствует падению напряжения на резисторе 10 150 мВ. Поскольку в режиме насыщения транзистора падение напряжения между базой и коллектором равно примерно 600 мВ, R11/R10 = 3.
Сопротивления резисторов выходного каскада найдены из условий, обеспечивающих линейную зависимость тока в нагрузке и, следовательно, напряжения на нагрузке от положительных приращений тока на входах выходного каскада. Диапазон изменения напряжения на нагрузке равен ±(Eп - 2Uкн) ≈ ±Eп.
Поэтому выходному каскаду соответствует простая эквивалентная схема, состоящая из двух выходных транзисторов 1, 2 и двух управляемых ключей на транзисторах 3, 4, замыкающих на шину питания обесточенный вывод нагрузки. Управление ключами осуществляется с помощью дополнительных транзисторов 5, 6 и предварительных усилителей, которые одновременно выполняют задачу усиления входного напряжения.
По сравнению с прототипом двухтактный усилитель мощности потребляет существенно меньший ток от источника питания за счет отсутствия постоянной составляющей тока выходного каскада в статическом режиме работы. По сравнению с наиболее эффективной из двухтактных схем, используемых в слуховых аппаратах, нагруженной на телефон со средним выводом катушки, достигается двукратная экономия тока в динамическом режиме работы. Этот результат является следствием прохождения положительной и отрицательной переменной составляющей тока через всю катушку, а не через ее половину. Поэтому для создания такого же звукового давления требуется вдвое меньшая амплитуда тока.
Минимальное напряжение питания 0,8 В, при котором устройство работоспособно, равно сумме напряжений на переходах база - эмиттер и коллектор-эмиттер транзисторов, находящихся на грани насыщения. Такие цепи составляют пары транзисторов: 4,5; 3,6; 16,17; 12,18; 14,19; 1,15.
Коэффициент усиления устройства по переменной составляющей входного напряжения K = ΔIвRн/ΔUc с учетом (8) и R13 Iк1 = Eп - Uоп равен
K = Kнβ1(Eп-Uоп)Rн/2ϕтR23. (14)
Из формулы (14) видно, что путем установки необходимого значения коэффициента передачи Кн или опорного напряжения Uоп можно осуществлять регулировку коэффициента усиления устройства в широких пределах.
По данному техническому предложению изготовлены и исследованы макетные образцы устройств по п. 1 и 2 формулы изобретения. Результаты испытаний подтвердили технический результат, обеспечиваемый изобретением. Он заключается в снижении потребления тока от источника питания вдвое по сравнению с аналогами, известными из каталогов слуховых аппаратов зарубежных фирм, а также отечественного аппарата "Элор-у-01"
Источники информации, использованные при выборе аналогов и прототипа.
1. М. М. Эфрусси. Слуховые аппараты и аудиометры. М.: Энергия, 1975, с. 57-70
2. Авторское свидетельство СССР N 744915, кл. H 03 F 3/213.
3. Патент Голландии N 8006305, кл. H 03 F 3/21.
4. Патент ФРГ N 263750, кл. H 03 F 3/21.
5. Патент ФРГ N 3229437, кл. H 03 F 3/187.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ | 2004 |
|
RU2274947C2 |
МОЩНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ | 1991 |
|
RU2017322C1 |
ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ | 2012 |
|
RU2510569C1 |
Двухтактный усилитель | 1988 |
|
SU1617627A1 |
КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ | 2011 |
|
RU2439780C1 |
ДВУХТАКТНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ | 2000 |
|
RU2193273C2 |
Двухтактный усилитель | 1980 |
|
SU1007185A1 |
Усилитель | 1988 |
|
SU1720146A1 |
Усилитель | 1988 |
|
SU1656669A1 |
Двухтактный усилитель мощности | 1988 |
|
SU1649640A1 |
Изобретение относится к усилителям мощности низкой частоты и может быть использовано в миниатюрных слуховых аппаратах. В состав устройства входят два предварительных усилителя и выходной каскад, содержащий два n - p - n выходных транзистора и два ключа на р - n - р -транзисторах. С помощью ключей к шине питания подключается тот из выходов усилителя мощности, в который из коллектора выходного транзистора генерируется меньший ток. В предварительных усилителях осуществляются усиление противофазных переменных составляющих входного напряжения и компенсация постоянных составляющих выходного тока. Технический результат: двукратная экономия тока, потребляемого от источника питания. 1 ил.
Двухтактный усилитель мощности, состоящий из двух предварительных усилителей и двухтактного выходного каскада, содержащего в каждом плече выходной n-p-n-транзистор, база которого соединена с выходом предварительного усилителя, эмиттер присоединен к земле, а коллектор - к выходу усилителя и коллектору p-n-p-транзистора, база которого соединен с коллектором дополнительного n-p-n-транзистора другого плеча, отличающийся тем, что в каждом плече эмиттер p-n-p-транзистора соединен с шиной питания, а его база соединена через резисторы с базой и коллектором p-n-p-транзистора другого плеча, эмиттер дополнительного n-p-n-транзистора подключен через резистор к земле, а его база соединена с выходом предварительного усилителя, содержащего первый, второй, третий, четвертый p-n-p-транзисторы, эмиттеры которых присоединены к шине питания, первый, второй, третий, четвертый n-p-n-транзисторы, три резистора, конденсатор и усилитель напряжения, прямой вход которого соединен с коллектором первого n-p-n-транзистора и через резистор с шиной питания, инверсный вход связан с источником опорного напряжения, а выход соединен с базой четвертого n-p-n-транзистора и через резистор с базами второго и третьего n-p-n-транзисторов и конденсатором, второй вывод которого подключен к земле, база первого n-p-n-транзистора соединена с входом двухтактного усилителя мощности, его эмиттер - с коллектором второго n-p-n-транзистора и через конденсатор - с эмиттером одноименного транзистора другого плеча, эмиттер второго n-p-n-транзистора присоединен к земле непосредственно, а эмиттеры третьего и четвертого через резисторы, коллектор третьего n-p-n-транзистора связан с коллектором и базой первого, а также с базой второго p-n-p-транзисторов, коллектор четвертого n-p-n-транзистора соединен с коллекторами второго и третьего, а также с базами третьего и четвертого p-n-p-транзисторов, коллектор четвертого p-n-p-транзистора соединен с выходом предварительного усилителя.
GB, патент, 2188208, кл | |||
Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды | 1921 |
|
SU4A1 |
SU, авторское свидетельство, 784026, H 04 R 25/00, 1979 | |||
US, патент, 4180782, кл | |||
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
D E, патент, 3229437, кл | |||
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Авторы
Даты
1998-07-10—Публикация
1996-05-22—Подача