ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ Российский патент 2006 года по МПК H03F3/20 H04R25/00 

Изобретение относится к усилителям мощности и может быть использовано, например, в миниатюрных слуховых аппаратах.

К основным параметрам усилителя мощности для слухового аппарата относят предельную амплитуду выходного напряжения на нагрузке, величину тока, потребляемого от источника питания 1...1,5 В, а также стабильность его параметров. Среди известных схем усилителей минимальное потребление тока и максимальную амплитуду выходного напряжения обеспечивает двухтактный усилитель [1]. 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, 2]. Максимальная амплитуда напряжения выходного сигнала U_m близка к разности напряжения питания Е_П и напряжения насыщения U_КН выходных транзисторов:

U_m=E_П-U_КН

Основным недостатком такого выходного каскада является неэффективное использование катушки телефона в режиме класса В, когда противофазные токи, генерируемые выходными транзисторами, протекают через половины обмотки. В режиме класса А такая схема не экономична из-за большой постоянной составляющей выходного тока.

Известен двухтактный усилитель мощности [3], каждое плечо которого состоит из предварительного усилителя тока, в качестве которого используется эмиттерный повторитель, и выходного каскада, содержащего выходной n-p-n транзистор. Однако это устройство сохраняет работоспособность только в режиме класса А с большой постоянной составляющей тока в каждом плече. Минимальное напряжение источника питания 1,5 В предопределяется падением напряжения на двух включенных последовательно переходах база-эмиттер транзисторов. Его основные недостатки состоят в большом потреблении тока от источника питания и высоком минимальном напряжении питания.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является двухтактный усилитель мощности [4], состоящий из двух предварительных усилителей и двухтактного выходного каскада, содержащего выходной n-p-n транзистор 1 в первом плече или 2 во втором, база которого соединена с выходом предварительного усилителя ПУ1 или ПУ2, эмиттер присоединен к земле, а коллектор - к выходу усилителя и коллектору p-n-p транзистора 3 или 4, эмиттер которого подключен к шине питания, а база соединена с коллектором управляющего n-p-n транзистора 6 или 5 другого плеча и через резисторы 10, 11 или 10, 9 с базой и коллектором p-n-p транзистора другого плеча, эмиттер управляющего n-p-n транзистора подключен через резистор 7 или 8 к земле, а его база соединена с выходом предварительного усилителя. Каждый предварительный усилитель содержит первый, второй, третий, четвертый p-n-p транзисторы, пронумерованные на схеме цифрами 12, 13, 14, 15 соответственно, эмиттеры которых присоединены к шине питания, первый, второй, третий, четвертый n-p-n транзисторы, пронумерованные цифрами 16, 17, 18, 19, первый, второй, третий, четвертый резисторы, пронумерованные 20, 21, 22, 23, конденсатор 25 и усилитель напряжения 24. Прямой вход усилителя напряжения соединен с коллектором первого n-p-n транзистора и через резистор 20 с шиной питания, инверсный вход связан с источником опорного напряжения U_ОП, а выход соединен с базой четвертого n-p-n транзистора и через резистор 21 с базами второго, третьего n-p-n транзисторов и конденсатором 25, второй вывод которого подключен к земле. База первого n-p-n транзистора соединена с входом усилителя, его эмиттер с коллектором второго n-p-n транзистора и через конденсатор 26 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 базой второго p-n-p транзисторов, коллектор четвертого n-p-n транзистора соединен с коллектором 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.

В статическом режиме, когда переменная составляющая входного сигнала отсутствует, ток, протекающий через выходные транзисторы 1, 2 существенно 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. Напряжение на коллекторе транзистора 16 соответствует опорному напряжению U_ОП, поступающему на инверсный вход усилителя напряжения. Ток I₁, протекающий через резистор 20 и транзисторы 16, 17, поэтому равен:

Ток I₁ не зависит от напряжения на базе транзистора 16, если один из транзисторов, 16 или 17, не попадает в состояние насыщения. Диапазон изменения постоянной составляющей входного напряжения U_BX находится в пределах

U_БЭ+U_КН≤U_ВХ≤U_ОП+U_БЭ-U_КН,

где U_БЭ и U_КН - 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 близки. Коллекторный ток транзистора 18 инвертируется токовым зеркалом на транзисторах 12, 13 и вычитается из коллекторного тока транзистора 19. Небольшой разностный ток I_p поступает в базы транзисторов 1, 5 выходного каскада. Он не приводит в состояние насыщения транзисторы 3 и 4, однако, усиленный в β₁ раз транзисторами 1 и 2 вызывает утечку тока из источника питания через транзисторы 3 и 4. Величина разностного тока зависит от падения напряжения на резисторе 21, вызванного в основном базовым током транзистора 17 . Соответственно, разностный ток , а ток I_B1, потребляемый каждым из выходов усилителя в статическом режиме работы, , или, подставив значение I₁ из (1):

Переменная составляющая входного напряжения ΔU_c усиливается дифференциальным усилителем, состоящим из транзисторов 16 двух предварительных усилителей, эмиттеры которых связаны между собой по переменной составляющей сигнала конденсатором 26. Коэффициент усиления этого каскада равен .

Выходной сигнал усиливается усилителем 24 в К_Н раз и поступает на базу транзистора 19. В его нагрузке, транзисторе в диодном включении 14, появляется ток ΔI_П только от положительной переменной составляющей напряжения на базе транзистора 19, когда его коллекторный ток превышает ток транзистора 13. Этот ток ΔI_П передается через токовое зеркало 14, 15 на вход выходного каскада:

.

Ток ΔI_П вызывает приращение напряжения ΔU_б, которое приводит к появлению токов ΔI_В1 и ΔI_Д в коллекторах выходного 1 и управляющего 5 транзисторов выходного каскада. Ток ΔI_B1=β₁·ΔI_П поступает с выхода усилителя в нагрузку R_н и понижает напряжение на одном выходе. Ток ΔI_Д усиливается транзистором 4 до величины β₂·ΔI_Д и подается в противофазе на другой выход усилителя, препятствуя понижению напряжения на другом выводе нагрузки.

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. Его можно считать практически закрытым. 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 управляющих транзисторов 5, 6 и предварительных усилителей, которые одновременно выполняют задачу усиления сигнала.

Коэффициент усиления устройства по переменной составляющей входного напряжения с учетом (1) равен:

По сравнению с аналогами, используемыми в слуховых аппаратах, содержащих телефон со средним выводом катушки, в прототипе достигается двукратная экономия тока питания в динамическом режиме работы. Однако в статическом режиме, когда сигнал на входе отсутствует, ток, потребляемый от источника питания (2), может достигать 15% от максимальной амплитуды переменной составляющей сигнала в практических реализациях устройства. Кроме того, постоянный выходной ток (2), а также коэффициент усиления (3) не стабильны к изменению напряжения питания:

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в минимизации тока, потребляемого устройством от источника питания в статическом режиме работы, а также стабилизации выходного тока и коэффициента усиления устройства при изменении напряжения питания.

Указанный результат достигается тем, что в каждом плече выходного каскада выходные транзисторы заменены на n-p-n транзисторные сборки, в которых эмиттеры, базы и коллекторы транзисторов соединены, в его состав дополнительно введены два транзистора, эмиттеры которых подключены к земле, а базы и коллекторы - к базам выходных транзисторов. В каждом предварительном усилителе четвертый p-n-p транзистор заменен на p-n-p транзисторную сборку, в его состав дополнительно введены первый, второй, третий, четвертый дополнительные n-p-n транзисторы и первый, второй, третий, четвертый дополнительные резисторы. Эмиттер второго n-p-n транзистора связан с землей через первый дополнительный резистор. База, коллектор и эмиттер второго p-n-p транзистора соединены с одноименными выводами третьего дополнительного p-n-p транзистора, выводы четвертого n-p-n транзистора соединены с одноименными выводами четвертого дополнительного n-p-n транзистора. Коллектор первого n-p-n транзистора соединен с базой первого дополнительного n-p-n транзистора, эмиттер которого связан с эмиттером одноименного n-p-n транзистора другого предварительного усилителя и через второй дополнительный резистор с землей, а его коллектор - с базой и коллектором первого дополнительного p-n-p транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, и с базой второго дополнительного p-n-p транзистора, эмиттер которого также соединен с шиной питания, а коллектор через четвертый дополнительный резистор с базой четвертого n-p-n транзистора, вторым резистором и коллектором третьего дополнительного n-p-n транзистора. Его эмиттер соединен с землей, а база через третий дополнительный резистор с шиной питания, а также с базой и коллектором второго дополнительного n-p-n транзистора, эмиттер которого соединен с землей. Сопротивление первого дополнительного резистора равно сопротивлению третьего резистора и вдвое больше сопротивления четвертого резистора, а сопротивление четвертого дополнительного резистора равно сопротивлению второго резистора.

На чертеже представлена электрическая схема двухтактного усилителя мощности.

Устройство содержит выходной каскад и два предварительных усилителя ПУ1 и ПУ2. Выходной каскад состоит из двух транзисторных сборок 1, 2, двух n-p-n транзисторов 27, 28 в диодном включении, двух управляющих n-p-n транзисторов 5, 6, эмиттеры которых подключены к земле через резисторы 7, 8, двух p-n-p транзисторов 3, 4. Резисторы 9, 10, 11 соединяют базы и коллекторы p-n-p транзисторов. В состав каждого предварительного усилителя включены p-n-p транзисторы 12, 13, 14, 15, 29, 30, 31, n-p-n транзисторы 16, 17, 18, 19, 32, 33, 34, 35, резисторы 20, 21, 22, 23, 24, 36, 37, 38. Эмиттеры транзисторов 16 предварительных усилителей соединены через конденсатор 26, эмиттеры транзисторов 32 соединены непосредственно и через резистор 24 подключены к земле.

Устройство работает следующим образом. В статическом режиме, когда переменная составляющая входного сигнала отсутствует, режим работы выходного каскада устанавливается с помощью 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 32, нагруженного на токовое зеркало, состоящее из транзисторов 30, 31. Коллекторный ток транзистора 31 задается генератором тока на основе токового зеркала 33, 34 и резистора 38, подключенного к источнику опорного напряжения. Коллекторное напряжение транзистора 31 через интегрирующую цепь, состоящую из резистора 21 и конденсатора 25, подается на базу транзистора 17. Его коллекторная цепь замыкает петлю обратной связи.

Токи I_O, протекающие через транзистор 32 и последовательно включенные токовые зеркала 30, 31 и 33, 34, равны:

Вместе с током транзистора 32 другого предварительного усилителя на резисторе 24 ток I_O создает падение напряжения 2 (Е_ОП-U_БЭ)R24/R38. Напряжение на коллекторе транзистора 16 больше напряжения на эмиттере транзистора 32 на величину U_БЭ. С учетом изложенного ток, протекающий через резистор 20 и транзисторы 16, 17, равен:

Коллекторное напряжение транзистора 31 через резисторы 21 и 37 поступает на базы транзисторов 18 и 35, 19. Коллекторный ток транзистора 18 инвертируется и удваивается токовым зеркалом 12, 29, 13, а затем вычитается из коллекторного тока транзистора 19, 35. Близкое равенство этих токов достигается путем полного соответствия фрагментов схемы, один из которых выделяет постоянную, а другой пропускает переменную составляющую сигнала. Первый фрагмент состоит из резистора 21, связанного с базами транзисторов 17 и 18, имеющих в эмиттерных цепях резисторы 36 и 22, сопротивления которых равны. Второй состоит из резистора 37 и транзисторов 35 и 19, включенных параллельно. Их эмиттерная цепь подключена к земле через резистор 23, сопротивление которого равно двум параллельно включенным резисторам 36 и 22.

Небольшой разностный ток 2I₂/β₂, где β₂ - коэффициент усиления тока базы в p-n-p транзисторе, усиливается умножителями тока в 14, 15 в m раз и 27, 1 в n раз, затем поступает на выход усилителя.

В динамическом режиме работы сигнал, содержащий противофазные переменные составляющие, поступает на базы транзисторов 16 предварительных усилителей, эмиттеры которых связаны между собой конденсатором 26. Коэффициент усиления каскада равен I₂·R20/2ϕ_т. Следующий каскад усиления состоит из транзистора 32, образующего с одноименным транзистором другого предварительного усилителя дифференциальную схему, нагруженную через токовое зеркало 30, 31 на резистор 21. Этот каскад усиливает сигнал в каждом плече в I_О·R21/ϕ_т раз. Выделенная фильтром 21, 25 постоянная составляющая напряжения преобразуется в ток транзистором 18, дважды инвертируется, удваивается и поступает на выход токового зеркала 12, 29, 13. Напряжение полного сигнала подается на базы транзисторов 35, 19, преобразуется в ток, который теряет постоянную составляющую на выходе токового зеркала, усиливается умножителями 14,15 и 27, 1 в m·n раз и поступает на выход 2 усилителя. Управляющий транзистор 5 приводит транзистор 4 в состояние насыщения, выход 1 замыкается на шину питания. Ток сигнала в нагрузке протекает от выхода 1 к выходу 2. Ток сигнала противоположной полярности поступает из предварительного усилителя 2, а ток в нагрузке усилителя от выхода 2 к выходу 1.

Общий коэффициент усиления K₂ равен:

Эффективность нового устройства в части потребления тока выходным каскадом от источника питания в статическом режиме можно оценить по отношению токов взятом из (6) и (2), в устройствах, равноценных по другим параметрам, когда I_K1≅I_K2, β₂≅m·n=40, R21≥20 кОм, R23≤1 кОм. Тогда Это означает, что ток, потребляемый новым устройством, на порядок меньше тока прототипа. Стабильность выходного тока нового устройства в статическом режиме работы и стабильность коэффициента усиления в динамическом режиме к изменению напряжения источника питания вытекает из отсутствия зависимости I₂ и К₂ от напряжения питания в формулах (6) и (7), а также I_О и I₂ в (4) и (5).

По данному техническому предложению изготовлены и исследованы макетные и опытные образцы устройств по формуле изобретения. Результаты испытаний подтвердили технический результат, обеспечиваемый изобретением. Он заключается в снижении потребления тока от источника питания в режиме молчания по сравнению с аналогами, известными из каталогов слуховых аппаратов, а также стабилизации тока в режиме молчания и коэффициента усиления к изменению напряжения питания.

Источники информации

1. М.М.Эфрусси. Слуховые аппараты и аудиометры. Москва, "Энергия", 1975, с. 57-70.

2. Патент ФРГ №263750, кл. H 03 F 3/21.

3. Патент ФРГ №3229437, кл. Н 03 F 3/187.

4. Патент РФ №2115223, кл. H 03 F 3/20.

Изобретение относится к усилителям мощности низкой частоты и может использоваться в миниатюрных слуховых аппаратах. Технический результат заключается в экономии тока, потребляемого от источника питания в динамическом режиме, минимизация тока в режиме молчания, стабилизация выходного тока и коэффициента усиления к изменению напряжения питания. Устройство содержит два предварительных усилителя и выходной каскад, содержащий две выходные n-р-n транзисторные сборки и два ключа на р-n-р транзисторах. С помощью ключей к шине питания подключается тот из выходов усилителя, в который из коллектора выходного транзистора генерируется меньший ток. В предварительных усилителях осуществляется усиление противофазных переменных составляющих входного напряжения и компенсация постоянных составляющих выходного тока. 1 ил.

Двухтактный усилитель мощности, состоящий из двух предварительных усилителей и двухтактного выходного каскада, содержащего в каждом плече выходной n-р-n-транзистор, база которого соединена с выходом предварительного усилителя, эмиттер присоединен к "земле", а коллектор - к выходу усилителя и коллектору р-n-р-транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, а база соединена с коллектором управляющего n-р-n-транзистора другого плеча и через резисторы с базой и коллектором р-n-р-транзистора другого плеча, эмиттер управляющего n-р-n-транзистора подключен через резистор к "земле", а его база соединена с выходом предварительного усилителя, содержащего первый, второй, третий, четвертый р-n-р-транзисторы, эмиттеры которых присоединены к шине питания, первый, второй, третий, четвертый n-р-n-транзисторы, первый, второй, третий, четвертый резисторы и конденсатор, один вывод которого соединен с "землей", а другой - с базами второго и третьего n-р-n-транзисторов и вторым резистором, база первого n-р-n-транзистора соединена с входом усилителя, его коллектор через первый резистор с шиной питания, эмиттер с коллектором второго n-р-n-транзистора и через конденсатор с эмиттером первого n-р-n-транзистора другого предварительного усилителя, эмиттеры третьего и четвертого n-р-n-транзисторов связаны с "землей" через третий и четвертый резисторы, коллектор третьего n-р-n-транзистора связан с коллектором и базой первого, а также с базой второго р-n-р-транзисторов, коллектор четвертого n-р-n-транзистора соединен с коллекторами второго и третьего, а также с базами третьего и четвертого р-n-р-транзисторов, коллектор четвертого р-n-р-транзистора соединен с выходом предварительного усилителя, отличающийся тем, что в каждом плече выходного каскада выходные транзисторы заменены на n-р-n-транзисторные сборки, в которых эмиттеры, базы и коллекторы транзисторов соединены, в его состав дополнительно введены два транзистора, эмиттеры которых подключены к "земле", а базы и коллекторы - к базам выходных транзисторов, в каждом предварительном усилителе четвертый р-n-р-транзистор заменен на р-n-р-транзисторную сборку, в его состав дополнительно введены первый, второй, третий четвертый дополнительные n-р-n-транзисторы, первый, второй, третий дополнительные р-n-р-транзисторы и первый, второй, третий, четвертый дополнительные резисторы, эмиттер второго n-р-n-транзистора связан с "землей" через первый дополнительный резистор, база, коллектор и эмиттер второго р-n-р-транзистора связана с одноименными выводами третьего дополнительного р-n-р-транзистора, выводы четвертого n-р-n-транзистора соединены с одноименными выводами четвертого дополнительного n-р-n-транзистора, коллектор первого n-р-n-транзистора соединен с базой первого дополнительного n-р-n-транзистора, эмиттер которого связан с эмиттером одноименного n-р-n-транзистора другого предварительного усилителя и через второй дополнительный резистор с "землей", а его коллектор - с базой и коллектором первого дополнительного р-n-р-транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, и с базой второго дополнительного р-n-р-транзистора, эмиттер которого также соединен с шиной питания, а коллектор через четвертый дополнительный резистор с базой четвертого n-р-n-транзистора, вторым резистором и коллектором третьего дополнительного n-р-n-транзистора, эмиттер которого соединен с "землей", а база через третий дополнительный резистор с шиной питания, а также с базой и коллектором второго дополнительного n-р-n-транзистора, эмиттер которого соединен с "землей", причем сопротивление первого дополнительного резистора равно сопротивлению третьего резистора и вдвое больше сопротивления четвертого резистора, а сопротивление четвертого дополнительного резистора равно сопротивлению второго резистора.