Усилитель мощности Советский патент 1984 года по МПК H03F3/26 

1

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при построении высококачественных усилителей низкой частоты для звукопроизводящих устройств.

Известен усилитель мощности, выполненный по двухтактной схеме, с целью обратной связи на транзисторах lj .

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является усилитель мощности содержащий входной усилительный каскад, выполненньй на .транзисторах, имеюй(их п-р-п и р-п-р-структуру, включенных по схеме с общим эмиттеррм, причем эьшттер п р-п-транзистора и эмиттер р-п-р-транзистора coef инeны через генераторы тока с соответствующими шинами источника питания, а между собой через последовательно соединенные первый и второй диоды, выходной усилительный каскад, выполненный на транзисторах имекядах р-п-р и п-р-п-структуру, включенных по схеме с общим эмиттером, причем коллекторы их объединены и являютсявыходом усилителя мощности, а базы транзисторов одной структуры каждог плеча выходного усилительного кас- када соединены с коллекторами транзисторов другой структуры входного усилительного Каскада 2j,

Однако известные усилители мощности обладают достаточно высоким уровнем нелинейных искажений.

Цель изобретения - снижение нелинейных искажений и стабилизация начального тока.

Цель достигается тем, что в усилителе мощности, содержащем входной усилительный каскад, выполненный на транзисторах, имеющих п-р-п и р-п-р-структуру, включенных по схеме с общим эьмттером, причём эмиттеры п-р-п-транзистора и эмитте р-п-р-транзистора соединены через генераторы тока с соответствующими шинами источника питания, а между собой через последовательно соединенные цервый и второй диоды, выходной усилительный каскад, выполненный на транзисторах, имеющих р-п-р и п-р-п- структуру, включенны по схеме с общим эмиттером, причем коллекторы их объединены и являются выходом усилителя мощности, а базы транзисторов одной структуры

230922

каждого плеча выходного усилительного каскада соединен с коллекторами транзисторов другой структуры входного усилительного каскада, катод 5 первого диода соединен с эмиттером п-р п-транзистора, а анод второго диода - с эмиттером р-п-р-транзистора входного усилительного каскада, при этом точка соединения перfO вого и второго диодов подключена к точке соединения коллекторов транзисторов выходного усилительного каскада.

Кроме того, параллельно каждому (5 из диодов включена цепочка из последовательно соединенньк первого и второго резисторов, между точкой соединения которых и точкой соединения диодов введен дополнительный диод, 0 имеющий тепловую связь с соответствующим Транзистором выходного усилительного каскада.

База каждого транзистора выходного усилительного каскада соединена 5 с коллектором соответствующего транзистора входного усилительного каскада через введенный дополнительный транзистор той же структзфы, что и транзистор выходного усилительного Q каскада, включенный по схеме с общим коллектором, причем коллекторы введенных дополнительных транзисторов соединены с общей Шиной.

На чертеже представлена принхщпиальная электрическая схема усилителя мощности.

Усилитель мощности содержит входной усилительный каскад выполненный на транзисторе 1 п-р-п-струкQ туры и транзисторе 2 р-п-р-структуры, выходной усилительный каскад, выполненный на транзисторе 3 р-п-рструктуры, и транзисторе 4 п-р-пструктуры, дополнительные транзисторы 5 и 6, генераторы 7 и 8 тока, первый 9 и второй 10 диоды, первый 11-1 и второй 12-1 резисторы, дополни тел ьньй диод 13-1 одного плеча, первый 11-2 и второй t2-2 резисторы дополнительный диод 13-2, резисторы

14 и 15.

Усилитель мощности работает еле- образом.

Входной сигнал подается на входы Транзисторов 1 и 2 входного усилительного каскада. Благодаря включению первого и второго диодов 9 и 10 в цепи эмиттеров указанных транзисторов

3

1 и 2, причем напряжения прямосмещенного эмиттерного перехода каждого транзистора 1 и 2 с соответствующего диода имеют приблизительно одинаковую величину и различны по полярности, сумма падений напряжений между входом и выходом усилителя мощности в идеальном случае равна нулю, чем достигается отсутствие ступенек и разрывов вблизи нулевого уровня выходного напряжения, т.е. повышается температурная стабильность.

С другой стороны, такое включение диодов 9 и to в цепь эмиттера каждого из входных транзисторов 1 и 2 обеспечивает компенсацию изменения коэффициента усиления этих транзисторов 1 и 2 в процессе формирования мгновенных значений выходного напряжения эа счет изменения дифференциального значения

сопротивления р 1(/. 25 мВ).

Действительно, в случае подключения к базе транзистора усилителя с обащм эмиттером некоторого источник сигнала с внзггренйим сопротивлением R Уего коэффициент усиления определяется соотношением

- (1)

К

)(ГЭ+КЭ)

где RH - сопротивление нагрузки

в коллекторной цепи, Чэ - сопротивление в эмиттерно

цепи.

Если R;«(p)(h, + R,,aR,0, то Это означает, что коэф циент усиления прямо зависит от тока через транзистор. Это обстоятельство обуславливает весьма ощутимый рост коэффициента нелинейных искажений, который не удается ликвидировать полностыб за счет отрицательной обратной связи, поскольку она является принципиально запаздывающей. Отмеченный недостаток устраняется тем, что при работе каждого из транзисторов 1 и 2 предлагаемого усилителя мощности включенные в их змиттерные цепи первый и второй диоды 9 и-10 изменяют свое дифференциальнве сопротивление противополож23092«

ным образом по отношению к дифференциальным сопротивлениям транзисторов 1 и 2. В результате этого сумма дифференциапьньпс сопротивлений в 5 эмиттерных цепях этих транзисторов 1 и 2 остается постоянной и коэффициенты усиления входного усилительного каскада становятся независимыми от величин усиливаемых сигналов. 10 Формула (1) для этого случая представляется в виде

,.

R,4((r,,

S где1э( и Pjf - соответственно дифференциальные сопротивления транзисторов или 2, первого 9, или второго 10 диодов,которые в процессе работы имеют равный и lipo0 тивоположные приращения, т.е.

э V const.

Напряжения прямо смещенньос эмит, терного перехода транзистора 1 и диода 9 имеют приблизительно одинаковую величину и раэлич Ш по полярности, что обеспечивает выравнивание потенциалов между входом и выходом, а также уменьшение дрей:фа нуля, т.е. повышение температур ной стабильности.

Обеспечение постоянства заданного начального тока при саморазогреве транзисторов 5 и 3, а также при изменениях окружающей температзгры

5. достигается за счет дополнительных диодов 13-1 и 13-2, имеющих тепловую связь с транзистором 3. Изменение прямого падения напряжения на дополнительном диоде 13-1 под действием

0 вариации температуры его перехода . передается в цепь эмиттера транзистора 1, компенсируя температурный дрейф напряжений база-эмиттер транзисторов 5 и 3. Величина сигнала компенсации

5 определяется соотношением резисторов 11-1 и 12-1 и зависит от конструкции усилителя.

Механизм стабилизации начального тока транзистора 3 состоит, таким

0 образом, в следующем. После подачи на усилитель напряжения питания температура кристалла транзистора 3 начинает увеличиваться за счет мощности, рассеиваемой на его коллектор5 ном переходе. Повышение температуры кристалла обуславливает уменьшение напряжения база-эмиттер транзистора 3 с температурным коэффициентом около -2,5 , Одновременно с этим счет тепловой связи транзистора 3 с радиатором последний нагревается, вызывая увеличение температуры крис талла дополнительного диода 13-1 и, соответственно, уменьшение на нем прямого падения напряжения. Уменыие ние этого напряжения обуславливает снижение тока через транзистор 1 и, следовательно, уменьшение базавых токов транзисторов,5 и 3, в результ те чего коллекторный ток транзистор 3 возвращается к первоначальному зн чению Так; -как за счет теплового излучения радиатора, на котором рас положены транзистор 3. и дополнитель ный диод 13-1, происходит дополнител ное увеличение темперд,туры кристалл транзисторов 1 и 5 и первого диода то точное значение компенся4)укицего напряжения устанавливается путем эк периментального выбора соотношения между первым и вторым резисторами 11-1 и 11-2, при отработке конструк ции усилителя. Это соотношение в последукщем (в процессе производства) остается неизменным. Основной причиной нелинейных искаженийявляется изменение параметров тран исторов в процессе формирования выходных напряжений. Одним из таких параметров, определяющих изменение коэффициента усиления является дифференциальные сопротивления эмиттеоного перехода cdnet. ., . -тг : - (Ig - ТОК через эмиттерньШ переход) i .я лякщиеся функщ1ей тока 1, который в свою очередь зависит от амплитуды входного нащ яжения (напряжение на базо-эмиттерном переходе транзис тора). В предлагаемой схеме изменесшя сопротивления г транзистора 1 компенсируются противоположньми иэменёниямя дифференциального сопротивления Tg первого диода 9, в результате чего величина эквивалентного сопротийления в цепи эмиттера транзистора 1 изменяется сущес венно меньше чем у несимметричного каскада с транзистором, включению по схеме с общим э№1ттером. Действи тельно, пусть на базе транзистора 1 имеет место увеличение входного напряжения, в результате чего воз растает ток эмиттера дифферен1циальное сопротивление эмиттерного перехода транзистора 1 уменьшаТгтся. Благодаря этому происходит перераспределение тока генератора 7 тока, т.е. происходит увеличение тока через эмиттерньй/переход транзистора 1 и уменьшение тока на такую же величину через первый диод 9, дифференциальное сопротивление которого в результате увеличивается. Следовательно, суммарное сопротивление в эмиттерной цепи транзистора 1, которое определяет коэффициент усиления каскада на транзисторе 1, лстается практически постоянным. Аналогичная ситуащ я имеет место при действии сигнала со стороны анода первого диода 9 при работе петли отрицательной обратной связи, обеспечивающей близкий к единице коэф циент передачи по напряжению со входа на выход усилителя мощности. Использование дополнительного транзистора 5, на котором вьполнен эмиттерный повторитель, той же проводимости, что и транзистор 3, обеспечивает определенность задания режима транзистора 1 по току, поскольку падение напряжения на резисторе 14 задается суммой напряжений базаэмиттер транзисторов 5 и 3, а это, в свою очередь, дает возможность повысить промьпапенную воспроизводимость. Эффект от использования предлагаемого усилителя заключается , во-первых, в резком снижении коэффициента нелинейных искажений (до величин в десятые доли процента), что позволяет,установив перед этим усилителем мощности достаточно широкополосный усилитель напряжения и охватив весь усилительный тракт цепью отрицательной обратной связи, получить чрезвычайно малый коэффициент нелинейных искажений (до величин менее сотых долей процента), во-вторых, в обеспечении предельно высокой т,епловой устойчивости за счет очень высокой стабильности заданного начального тока через транзисторы 3 и 4 выходного усилительного каскада, который практически остается неизменным при изменении температуры кристаллов транзисторов на 100-150 с, в третьих, практически не требуется регулировки усилителя и подгонки номиналов его элементов, в четвертых, в минимизации эффекта транзисторного звучания, так как коэффициент нелиней88п -с ных искажений почти не зависит от амплитуды и частоты усиливаемого сигнала в рабочей полосе частот от О до 20000 Гц. Выход L.1J -О -Ef.

1. УСИЛИТЕЛЬ МОДНОСТИ, содержа1ций входной усилительшлй каскад выполненный на транзисторах, имеющих п-р-п и р-п-р-структуру, включенных по схеме с обнщм эмиттером, причем эмиттер п-р-п-транзистора и эмиттер р-п-р-транзистора соединены через генераторы тока с соответствующими шинами источника питания, а между собой через .последовательно соединенные первый и ВТ01ЮЙ диоды, выходной усилительный каскад, вютолненньй на транзисторах .имеющих р-п-р и п-р-пстрултуру, включенных по схеме с обвщм эмиттером, причем коллекторы их объединены и являются выходом усилителя мощности, а базы транзисторов одной структуры каждого плеча выходного усилительного каскада соединены с коллекторами транзисторов другой структуры входного усилительного каскада, отличающийс я тем, что, с целью снижения нелинейных искажений, катод первого диода, соединен с эмиттером п-р-птранзистора, а анод второго диода с эмиттером р-п-р-транзистора входного усилительного каскада, при этом точка соеданения первого и второго диодов подключена к точке соединения коллекторов транзисторов выходного . усюттелького каскада. 2. Усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что, с целью стабилизации начального тока, параллельно каждому из диодов включена цепочка из последовательно соединенных первого и второго резисторов между точкой соединения которых и 8 точкой соединения диодов введен дополнительный диюд, имеющий тепловую связь с соответствуюпро транзистором выходного усилительного каскада. 3.Усилитель мощности по п.2,о т л ичающийся тем, что, с целью снижения нелинейньвс искажений, база каждого транзистора выходного усилиN9 тельного каскада соединена с коллекто.0 ром соответствующего транзистора вход ного усилительного каскада через введенный дополнительный транзистор: той О N же структуры, что и транзистор выходного уснлятельного каскада, вклю;ченный по схеме с общим коллектором, коллекторы введенных дополнительных транзисторов соединены с общей шияой.