Усилитель мощности с защитой Советский патент 1987 года по МПК H03F1/52 

1

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в высококачественных усилителях низкой частоты.

Цел изобретения - уменьшение нелинейных искажений.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема усилителя мощности с защитой по п.1 формулы изобретения; на фиг.2 - то же, по п.2 формулы изобретения; на фиг.З 10 - структурные электрические схемы различных реализаций на примере одного плеча усилителя мощности с защитой.

Усилитель мощности с защитой содержит (фиг.1 и 2) входной двухтактный каскад 1, выходной двухтактный каскад 2, ключевые каскады 3 защиты, прямосмещенные диоды 4, датчики тока 5, источник 6 обратного смещения диода, выполненный (фиг.З) на источнике 7 постоянного напряжения и резисторе 8, (фиг.4) на конденсаторе 9, (фиг.5) на резисторе 10, (фиг.;6) на делителе из резистора 11 и резистора 12, (фиг.7) на делителе из резистора 12 и генератора тока 13, (фиг.8) на делителе из резистора 11 и стабилитрона 14, (фиг.9) на стабилизаторе постоянного напряжения из транзистора 15, резисторов 16 и 17 и резисторов 16 и 17 и резистора 18, (на фиг.10) на генераторе тока 13, резисторе 12 и конденсаторе 19.

Усилитель мощности с защитой работает следуюш;им образом.

Усиливаемый сигнал поступает на вход входного двухтактного, кас-i када 1 и с его выходов поступает на входы выходного двухтактного каска- да 2. С выходов выходного двухтактного каскада 2 через датчики тока 5 сигнал поступает на нагрузку. Сигналы, вьщеляющиеся на сопротивлениях датчиков тока 5 и пропорциональные мгновенной величине тока нагрузки, поступают на входы ключевых каскадов 3 защиты. При режиме короткого замыкания нагрузки сигналы на входах ключевых каскадов 3 защиты увеличиваются до такой степени, что вызьша- ют их открывание. В этом случае происходит шунтирование входов выходных двухтактных каскадов 2 и выходной ток ограничивается, обеспечивая защиту выходных двухтактных каскадов 2. При нормальном режиме работы усилителя мощности с защитой источник 6

12904772

обратного смещения диода обеспечивает на переходах прямосмещенных диодов 4 напряжение нулевого или обратfO

J5

20

25

30

35

40

45

50

55

ного смещения, что позволяет получить более высокое сопротивление переходов прямосмещенных диодов 4 и уменьшить влияние нелинейного выходного сопротивления ключевых каскадов 3 защиты.

Выходное сопротивление ключевых каскадов 3 защиты обладает не только нелинейным характером, но и модулируется сигналом, присутствующим на входе ключевого каскада 3 защиты. Это приводит к образованию паразитной нелинейной обратной связи, которая также влияет на нелинейные иска- жения усилителя мощности с защитой. Нулевое иЛи обратное смещение переходов прямосмещенных диодов 4 позволяет также за счет обеспечения более высокого сопротивления прямосмещенных диодов 4 уменьшить влияние нелинейной обратной связи. Все эти полохштельные эффекты от введения источника 6 обратного смещения диода позволяют более полно использовать л:ннейные свойства самого усилителя мощности с защитой.

Подача напряжения смещения на переходы прямосмещенных диодов 4 может осуществляться следующим образом.

Напряжение смещения подается относительно шины питания плеча усилителя мощ:ности с зшцитой (фиг,), При этом в качестве источника 6 об- ратного смещения диода может быть использован резистор 10 (фиг.З). Это самая простая схема обеспечения напряжения обратного смещения переходов прямосмещенных диодов 4, Однако, поскольку напряжение смещения здесь складывается из напряжения питания :гшеча усилителя мощности с защитой и мгновенного напряжения усиливаемого сигнала, то максимальная величина его близка к удвоенному напряжению питания. В связи с этим используемые ключевые элементы ключевых каскадов 3 зашиты должны быть относительно высоковольтными, что несколько ограничивает применение данного источника 6 обратного смещения диода.

По другому варианту исполнения управляю1ций вход источника 6 обратного смещения диода подключен к нагрузке (фиг.2)о При этом в качестве

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ного смещения, что позволяет получить более высокое сопротивление переходов прямосмещенных диодов 4 и уменьшить влияние нелинейного выходного сопротивления ключевых каскадов 3 защиты.

Выходное сопротивление ключевых каскадов 3 защиты обладает не только нелинейным характером, но и модулируется сигналом, присутствующим на входе ключевого каскада 3 защиты. Это приводит к образованию паразитной нелинейной обратной связи, которая также влияет на нелинейные иска- жения усилителя мощности с защитой. Нулевое иЛи обратное смещение переходов прямосмещенных диодов 4 позволяет также за счет обеспечения более высокого сопротивления прямосмещенных диодов 4 уменьшить влияние нелинейной обратной связи. Все эти полохштельные эффекты от введения источника 6 обратного смещения диода позволяют более полно использовать л:ннейные свойства самого усилителя мощности с защитой.

Подача напряжения смещения на переходы прямосмещенных диодов 4 может осуществляться следующим образом.

Напряжение смещения подается относительно шины питания плеча усилителя мощ:ности с зшцитой (фиг,), При этом в качестве источника 6 об- ратного смещения диода может быть использован резистор 10 (фиг.З). Это самая простая схема обеспечения напряжения обратного смещения переходов прямосмещенных диодов 4, Однако, поскольку напряжение смещения здесь складывается из напряжения питания :гшеча усилителя мощности с защитой и мгновенного напряжения усиливаемого сигнала, то максимальная величина его близка к удвоенному напряжению питания. В связи с этим используемые ключевые элементы ключевых каскадов 3 зашиты должны быть относительно высоковольтными, что несколько ограничивает применение данного источника 6 обратного смещения диода.

По другому варианту исполнения управляю1ций вход источника 6 обратного смещения диода подключен к нагрузке (фиг.2)о При этом в качестве

источника 6 обратного смещения диода используется либо источник 7 постоянного напряжения и резистор 8 (фиг.З), либо конденсатор 9 (фиг.4).

В этих случаях напряжение смещения синфазно следует форме усиливаемого сигнала. При этом обеспечивается поти постоянное падение напряжения на прямосмещенном диоде 4, что дает возможность использовать низковольтные ключевые элементы ключевых каскадов 3 защиты.

Использование конденсатора 9 возможно потому, что комбинация из прямосмещенного диода 4 и конденсатора 9 представляет собой амплитудный детектор. При этом конденсатор 9 заряжается до максимального напряжения, которое присутствует между входом выходного двухтактного каскад.а 2 и выходом усилителя мощности с защитой, обеспечивая напряжение смещения перехода прямосмещенного диода 4, бликое к нулю.

Кроме того, источник 6 обратного смещения диода в виде конденсатора шунтирует паразитную отрицательную обратную связь в области высоких частот, а также обеспечивает устойчивость усилителя к самовозбуждению в режиме ограничения тока ключевым каскадом 3 защиты за счет коррекции петлевого усиления в цепи; выходной двухтактный каскад 2, ключевой каскад 3 защиты.

Однако использование конденсатора 9 приводит к появлению дополнительных искажений, Образующихся при изменении амплитуды усиливаемых сигналов за счет перезаряда конденсатора 9, в связи с чем применение такого источника 6 обратного смещенця диода дает положительный эффект в условиях усиления медленно меняющихся сигналов.

В качестве источника 6 обратного смещения диода может быть использован делитель на резисторах 1 и 12 (фиг,6), причем точка соединения этих резисторов 11 и 12 является выходом, а другой вьшод резистора 12 - управляющим входом источника 6 обратного смещения диода. Такое выполнение позволяет получить синфазно следящее за формой усиливаемого сигнала напряжение смещения, но из-за использования делителя на резисто

2904774

pax 11 и 12 величина синфазной составляющей напряжения смещения меньше, чем величина напряжения усиливаемого сигнала, и при больших амплитудах сигнала напряжение смещения , переходов прямосмещенных диодов 4 может стать из обратного прямым, приводя к искажению усиливаемого сигнала. Поэтому такая реализация,

О хотя и обладает простотой, тем не менее должна иметь ограничение в применении, поскольку не позволяет полностью использовать динамический диапазон усилителя мощности с защи 5 той.

Для повьшгения точности слежения за мгновенным напряжением усиливае- мого сигнала напряжение смещения должно быть сформировано при помощи

20 делителя, в котором вместо одного из резисторов использован либо элемент с высоким динамическим сопротивлением, как генератор тока 13 (фиг.7), либо элемент с низким дина 5 мическим сопротивлением, такой как стабилитрон 14 (фиг.8). В этом случае напряжение смещения - на выходе источника 6 обратного смещения диода - следует мгновенному напряже30 нию усиливаемого сигнала, что позволяет, получить почти постоянное напряжение смещения переходов прямосме- щенных диодов 4. При этом оказывается возможным получить малые нелиней35 ные искажения усилителя мопщости с защитой во всем интервале амплитуд усиливаемого сигнапаа близкие к его потенциальным возможностям.

При использовании в ключевом каскаде 3 защиты транзистора 15 оказывается возможным придать последнему также функцию обеспечения напряжения смещения для перехода прямо- смещенного диода 4 (фиг.9). В таком варианте транзистор 15 вместе с резисторами 16 и 17 образует стабилизатор постоянного напряжения, ток через который задается резистором 1, Величина напряжения стабилизации выбирается таким образом, чтобы напряжение смещения перехода прямонасы- щенного диода 4 было все время обратным. Через резистор 18 сигнал от датчика тока 5 поступает на базу транзистора 15, управляя напряжением стабилизации стабилизатора, которое присутствует на коллекторе транзистора 15. При этом транзистор 5

работает не в режиме отсечки как закрытый ключ, а в активном режиме, как усилитель. При режиме короткого замыкания сигнал на датчике тока 5 становится |Цостаточным для уменьшения напряжения на коллекторе транзистора 15 до такой степени 5 что напряжение смещения перехода прямо- смещенного диода 4 становится из обратного прямым, открывая прямосме- щенный диод 4. Открытый прямосмещен- ный диод 4 через транзистор 15 шунтирует вход выходного двухтактного каскада 2, таким образом обеспечивая ограничение его выходного тока.Такая схема усилителя мощности с защитой: позволяет не только упростить :устройство защиты, но и обеспечить устойчивость усилителя к самовозбуж

5

емкостью конденсатора 19 (фиг.10).. Такой конденсатор позволяет также обеспечить и коррекцию петлевого усиления в области высоких частот, что дает возможность предотвратить ге- . нерацию усилителя мощности с защитой в режиме ограничения тока.

Формула изобретения

1. Усилитель мощности с защитой, содержа1Щ-1й входной и выходной двухтактные каскады, причем в каждом плече выход выходного двухтактного каскада через датчик тока соединен с нагрузкой и непосредственно с входом ключевого каскада защиты,, выход которого через прямосмещенный диод соединен с входом выходного двухтактнодению в режиме ограничения тока, пос-20 го каска ца а общий вывод - с наг- кольку введение местной отрицательной обратной связи для транзистора 15 через резистор 16 позволяет уменьшить петлевое усиление в цепи: выходной двухтактный каскад 2, ключевой каскад 3 защиты.

Однако рассмотренные схемы при повьшении частоты усиливаемого сигнала увеличивают уровень нелинейных искаженийJ связанных с ключевым каскадом 3 защиты.

Для разрьша паразитных связей по высоким частотам выход ключевого каскада 3 защиты необходимо шунтировать

рузкой, чающийся тем, что., с целью уменьшения нелинейных искажений, в каждое плечо ус лителя мопщости с защитой введен ис точник обратного смещения диода, вы ход которого подключен к точке соед нения прямосмещенного диода и выхода ключевого каскада защиты.

2, Усилитель по п.1, о т л и - чающийся теМд что в каждом плече источник обратного смещения диода выполнен управляемым, выход управления которого соединен с нагрузкой,

30

го каска ца а общий вывод - с наг-

рузкой, чающийся тем, что., с целью уменьшения нелинейных искажений, в каждое плечо усилителя мопщости с защитой введен ис- точник обратного смещения диода, выход которого подключен к точке соединения прямосмещенного диода и выхода ключевого каскада защиты.

2, Усилитель по п.1, о т л и - чающийся теМд что в каждом плече источник обратного смещения диода выполнен управляемым, выход управления которого соединен с нагрузкой,

vy/,

-%

Вход ;2

11

и

/7

Вход

1Ъ

Изобретение м.б. использовано в высококачественных УНЧ. Цель изобретения - уменьшение нелинейных искажений. У-ль содержит входной двух-. тактный каскад 1, выходной двухтактный каскад 2, ключевые каскады 3 защиты, прямосмещенные диоды 4, датчики тока 5. Вновь введен источник 6 обратного смещения диода. На ил.3-10 представлены структурные эл. схемы различньрс реализаций на примере 1-го плеча у-ля. 1 з.п. ф-лы, 10 ил. Un i (Л to со о 4 Фиг./ -Un

О

Выход

Ё

Bbfxod

Фиг.З

Фиг.4

Вход

sif574

Вход

f

и

LfJ Выход 4--СГ

И

iZ

fl

Выход

Фиг.5

Фиг.б

Фи.г.7

Фи&.8

Вшод

Фи.г.9

Вшод

Фиг.10

Составитель И.Водяхина Редактор Т.Парфенова Техред И.ПоповичКорректор А.Рошко

.- - - -

Заказ 7914/55 Тираж 922Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4