ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С МАЛЫМ УРОВНЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И ШУМОВ Российский патент 2014 года по МПК H03F1/26 

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 f_c=1 кГц, u_вх=100 мВ и напряжении шума (u_ош), моделирующего нелинейные искажения: u_ош=10 мВ, f_ш=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, u_вx=100 мВ, f_c=1 кГц, u_ош=10 мВ, f_ш=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 (ϑ_вых).

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 u_ош.

Физический смысл эффекта подавления шумов в усилителе мощности фиг.3 связан, во-первых, с выделением в узле 9 сигнала ошибки u₉~u_ош, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих u_ош на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой f_ш=5 кГц):

$$u_9=\frac{R_7}{R_7+R_8}{u}_{ош}\approx \frac{u_{ош}}{2}$$ .

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

Выделенная таким образом ошибка u₉≈u_ош/2 вводится (благодаря резистору 6) во входную цепь выходного каскада 1 и корректирующего каскада 10 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение u_ош, 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 u_ош полностью передается в нагрузку 4. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 5 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 5 кГц имеет амплитуду u_вых=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 u_ош 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 ϑ_вых 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.

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.

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.