Усилитель мощности Советский патент 1993 года по МПК H03F3/20 

Изобретение относится к радиотехнике и усилительным устройствам и может быть использовано в качестве усилителя низкочастотных сигналов в устройствах с питанием от ниэ- ковольтных автономных источников постоянного тока, например портативных радиоприемных и звуковоспроизводящих устройствах.

Цель изобретения - уменьшение нелинейных искажений при питании усилителя от низковольтного источника постоянного тока и увеличение значения коэффициента использования напряжения питания.

Электрическая принципиальная схема о.бьекта изобретения приведена на чертеже.

Усилитель содержит первый, второй, третий и четвертый биполярные транзисторы 1-4, первый, второй, третий, четвертый и пятый резисторы 5-9, первый и второй конденсаторы. 10 и 11. В усилитель введены пятый транзистор 12, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы 13- 17, а также третий конденсатор 18. Первый

каскад усилителя выполнен на транзисторах 1 и 2, включенных по схеме с общим коллектором. Между эмиттером транзистора 1 и первой шиной питания включены соединенные последовательно резисторы 5 и 6, а в цепь эмиттера транзистора 2 включен резистор 7. Второй каскад выполнен на транзисторах 3 и 4, включенных также по схеме с общим коллектором. Эмиттер транзистора 1 соединен с базой транзистора 3 через резистор 8, а эмиттер транзистора 2 - с базой транзистора 4 через резистор 9. Эмиттеры транзисторов 3 и 4 обьединены, причем эмиттер транзистора 3 соединен через конденсатор 10 с точкой соединения резисторов 5 и 6, а эмиттер транзистора 4 . через конденсатор 11 - со вторым выводом резистора 7.

Дополнительный третий каскад выполнен на транзисторе 12, включенном по схеме с общим эмиттером относительно второй (общей) шины питания усилителя. Этот транзистор имеет такую же структуру, как и

Ё

00

о

ч ел ел

транзистор 2. Точка соединения эмиттеров транзисторов 3 и 4 соединена с цепью, выполненной на последовательно соединенных резисторах 15 и 16 и конденсаторе 18, свободный вывод которого является входом усилителя. Между коллектором транзистора

12 и точкой соединения резисторов 5 и 6 включены последовательно соединенные резисторы 13 и 14. При этом точка соединения коллектора транзистора 12 и резистора

13 соединена с базой транзистора 1, точка соединения резисторов 13 и 14 соединена с базой транзистора 2, точка соединения резисторов 15 и 16 соединена с базой транзистора 12 и через десятый резистор 17 со второй шиной питания, Точка соединения конденсатора 11 и резистора 7 является выходом усилителя мощности. .Нагрузка усилителя должна иметь малое сопротивление для постоянного тока.

Транзисторы 1-4 являются активными элементами усилителя мощности, обеспечивающими усиление тока и низкое значение выходного сопротивления усилителя.

Резисторы 8 и 9 используются для уменьшения усиления в области частот от десятков до сотен, мегагерц. Это необходимо для предотвращения самовозбуждения эмиттерных повторителей, выполненных на транзисторах 1 и 2. Оно возможно из-за достаточно больших емкостей база-коллектор транзисторов 3 и 4, нагружающих указанные эмиттерные повторители.

Резисторы 5 и 7 обеспечивают протекание токов покоя транзисторов 1 и 2. Сопротивления этих резисторов обычно выбираются в диапазоне от сотен ом до единиц килоом и определяют значения указанных токов покоя.

Резистор 6 и нагрузка усилителя (на схеме не показана и подключена к выходу усилителя мощности) вместе с конденсаторами 10 и 11 образуют две так называемые цепи вольтдобавки. используемые для увеличения максимального значения выходного напряжения усилителя, при котором нелинейные искажения сигнала еще достаточно малы. Сопротивления этих элементов обычно выбираются в пределах от 0,1 до 0,5 значений сопротивлений резисторов 5 и 7 и, поэтому от их значения также зависят значения токов покоя транзисторов 1 и 2. Кроме того, конденсатор 11 выполняет функцию разделительного элемента, предотвращающего протекание через нагрузку усилителя постоянного тока транзистора 3. Реактивное сопротивление указанного конденсатора на нижней частоте спектра сигнала должно быть в несколько раз ниже сопротивления нагрузки усилителя.

Транзистор 12 с конденсатором 18 и резисторами 13-17 образуют каскад, обеспечивающий усиление напряжения и позволяющий в результате введения в усилителе

отрицательной обратной связи значительно (в несколько десятков раз) уменьшить значение коэффициента гармоник. При этом транзистор 12 является активным элементом, резистор 14 обеспечивает протекание его

тока покоя, резисторы 15 и 16 - введение отрицательной обратной связи по постоянному и по переменному току, Отношение сопротивлений резисторов 15 и 16 определяет значение коэффициента усиления на5 пряжения усилителя с обратной связью, а конденсатор 18 является разделительным и имеет на нижней частоте спектра сигнала сопротивление, которое в несколько раз ниже сопротивления резистора 16.

0Резистор 14 подключен одним из выводов к соединенным выводам резисторов 5 и 6 для увеличения значения коэффициента усиления каскада, выполненного на транзисторе 12, и увеличении максимального не:

5 искаженного значения его выходного напряжения. Это обеспечивается использованием выходного напряжения цепи вольт- добавки, содержащей конденсатор 10.

Резистор 13 используется для получе0 ния напряжения, которое вводится между базами транзисторов 1 и 2, и обеспечивает уменьшение постоянного напряжения, приложенного между базами транзисторов 3 и 4, и уменьшение токов покоя этих транзи5 сторов. Сопротивление резистора 13 обычно выбирается таким, что ток покоя транзистора 12 создает на нем падение напряжения, не превышающее 100 мВ. В результате введения резистора 13 в усилитель

0 оказывается возможным установить малые и стабильные значения токов покоя транзисторов 3 и 4 при использовании транзисторов 3 и 4 при использовании транзисторов 1 и 2 более маломощных, чем 3 и 4, В изве5

стном же усилителе-прототипе транзисторы

1-4 имеют близкие значения площадей р-п- переходов для обеспечения стабильности токов покоя транзисторов 3 и 4,

В том случае, когда все транзисторы

0 усилителя кремниевые, при включении питания в результате действия отрицательной обратной связи по постоянномутоку на базе транзистора 12 устанавливается постоянное напряжение порядка 0,7 В, На соеди5 ненных эмиттерах транзисторов 3 и 4 устанавливается напряжение, большее чем 0,7 В в количество раз, близкое к отношению суммы сопротивлений резисторов 15 и 17 к сопротивлению резистора 17. При этгм ток покоя транзистора 12 имеет зн чение,

близкое к отношению разности напряжения питания и напряжения эмиттеров транзисторов 3 и 4 к сопротивлению резистора 14. Ток покоя базы транзистора 12 протекает только через резистор 17, а токи покоя эмиттеров транзисторов 1 и 2 - только через резисторы 3 и 7,

Напряжения эмиттер-база кремниевых транзисторов 1-4 обычно лежат в диапазоне 0,6...0,7 В. При подключении на вход усилителя источника напряжения сигнала через конденсатор 18 и резистор 16 протекает переменный ток, значение которого несколько больше переменного тока обратной связи, протекающего через резистор 15. Разность указанных токов поступает в базу транзистора 12 и дает на выходе каскада, выполненного на этом транзисторе, напряжение, близкое к входному напряжению по форме, но инвертированное и имеющее большее амплитудное значение. Это напряжение передается на выход усилителя через сложный повторитель напряжения, выполненный на транзисторах 1-4. При этом на верхний по схеме вывод резистора 5 и нижний вывод резистора 7 поступают напряжения вольтдобавок, имеющие амплитудные значения выходного напряжения усилителя. Они обеспечивают увеличение коэффициента усиления напряжения усилителя при разомкнутой цепи обратной связи и уменьшение нелинейных искажений при замкнутой вследствие увеличения эквивалентных значений сопротивлений нагрузок транзисторов 12, 1 и 2. Увеличение сопротивлений нагрузок связано с тем, что по отношению к общей шине к выводам резисторов 14,5 и 7 приложены синфазные переменные напряжения с близкими амплитудными значениями. Поэтому токи указанных рез исторов имеют переменные составляющие, значения которых во много раз меньше средних значений этих токов.

Переменное напряжение нагрузки усилителя служит в нем напряжением вольтдо- бавки для эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе 2. При использовании усилителя следует учитывать тот факт, что его входное сопротивление имеет значение, близкое к сопротивлению резистора 16. Сопротивления резисторов 5 и 7 следует выбирать порядка 0,1 от значения сопротивления нагрузки, умноженного на значения коэффициентов усиления тока транзисторов 3 и 4 в схеме с общим эмиттером. Сопротивление резистора 14 может быть в 10...20 раз выше меньшего из значений сопротивлений резисторов 5 и 7.

Был выполнен макетный образец объек- та изобретения, рассчитанный на работу от

источника постоянного тока с напряжением 3 В. В качестве транзисторов 3 и 4 были использованы транзисторы КТ817Б и КТ816Б, а в качестве транзисторов 1,2 и 5 12-КТ361Б, КТ315Б и КТЗЮ2Е.

Максимальное амплитудное значение выходного напряжения усилителя при нагрузке с сопротивлением 50 Ом было равно 1,3 В, Значение коэффициента гармоник

0 при амплитудном значении БЫХОДНОГО напряжения 1 В не превышало 0,5% даже при коэффициентах усиления тока транзисторов 1-4, не превышающих 50.

По отношению к прототипу объект изо5 бретения имеет преимущество, заключающееся в том, что при малом напряжении питания коэффициент использования напряжения питания 0,43 и близок к предель- . ному значению, равному 0,5. Кроме того, он

0 имеет малое значение коэффициента гармоник и обеспечивает усиление напряжения без использования операционного усилителя, введение которого в усилитель ведет к уменьшению коэффициента использования

5 напряжения питания и к ограничению сверху спектра частот усиливаемых сигналов.

Предполагается использовать объект изобретения в портативном радиоприемнике, который разработан в КЭИС для выпуска

0 на одном из предприятий Самары.

В настоящее время наиболее распространенными в новых малогабаритных радиоприемниках с питанием от батарей, имеющих малое напряжение, являются

5 бестрансформаторные усилители с выходными каскадами, в которых оба последних комплементарных транзистора включены по схеме с общим эмиттером. В качестве . базового объекта для сравнения может быть

0 взят усилитель мощности радиоприемника Вега 341. Указанный усилитель содержит

7 транзисторов и питается от батареи с напряжением 6 В. При напряжении питания 3

8 он практически неработоспособен, так 5 как при этом его коэффициент гармоник близок к 50%.

Его существенным недостатком по сравнению с изобретением является необходимость использования для питания че- 0 тырех батарей напряжением 1,5 В вместо двух. Кроме того, известный усилитель содержит большее количество транзисторов и резисторов, а также два диода и переменный резистор, не обладающий высокой на- 5 дежностью.

В малогабаритных приемниках более ранних выпусков применяются усилители мощности с трансформаторами, которые также можно использовать в качестве базовых объектов. Их существенным недостатком является наличие трансформаторов, которые недостаточно надежны, имеют сравнительно высокую трудоемкость изготовления и стоимость, ограничивают диапазон частот усиливаемых сигналов сверху и снизу. Недостатком таких усилителей является также выход их из строя при случайном изменении полярности напряжения

питания.

Формула изобретения Усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные первый и второй двухтактные каскады, при этом первый каскад выполнен на первом и втором транзисторах; включенных, по схеме с общим коллектором имеющих разную структуру, между эмиттером первого транзистора и соответствующей шиной питания включены последовательно соединенные первый и второй резисторы, а в Цепь эмиттера второго транзистора включен третий резистор, второй каскад выполнен на третьем и четвертом транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором, имеющих разные структуры, причем эмиттер первого транзистора соединен с базой третьего транзистора через четвертый резистор, змиттер второго транзистора - с базой четвертого транзистора через пятый резистор, эмиттеры третьего и четвертого транзисторов объединены, эмиттер третьего транзистора соединен через первый конденсатор с точкой соединения первого и второго резисторов, эмиттер четвертого транзистора

соединен через второй конденсатор с одним из выводов третьего резистора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений при питании от низ- ковольтного источника постоянного тока и увеличения значения коэффициента использования напряжения питания, введены дополнительный каскад, выполненный на пятом транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеющем структуру такую же, как и у второго транзистора, а также шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый резисторы и третий конденсатор, причем точка соединения эмиттеров третьего и 5 четвертого транзисторов соединена с цепью, выполненной на последовательно соединенных восьмом и девятом резисторах и третьем конденсаторе, соответствующий вывод которого является входом 0 усилителя мощности, а между коллектором пятого транзистора и точкой соединения первого и второго резисторов включены по- . следовательно соединенные шестой и седьмой резисторы, причем точка соединения 5 коллектора пятого транзистора и шестого резистора соединена с базой первого транзистора, а точка соединения шестого и седьмого резисторов соединена с базой второго транзистора, точка соединения восьмого и 0 девятого резисторов соединена с базой пятого транзистора и через десятый резистор с шиной питания, точка соединения второго конденсатора и третьего резистора является выходом усилителя мощности.

Использование: в радиотехнике и электросвязи в качестве усилителя низкочастотных сигналов с питанием от низковольтных автономных источников постоянного тока, Сущность изобретения: в усилитель содержащий последовательно соединенные первый и второй двухтактные каскады усиления тока на первом, втором и третьем транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором, введены дополнительный каскад усиления напряжения, выполненный на пятом транзисторе, включенном по схеме с эмиттером, и две цепи вольтдобавки, выходы которых соединены с регистрами, включенными в цепи эмиттеров третьего и четвертого транзисторов, а входы -с соединенными эмиттерами первого и второго транзисторов. 1 ил.