Усилитель мощности

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, содержащий входной каскад с дифференциальным входом и несимметричным выходом, двухтактный предоконечный каскад, первое и второе плечо которого выполнено соответственно на первом и втором транзисторах первой и второй структур, и двухтактный оконечный каскад, первой и второе плечо которого выполнено соответственно на составных парах транзисторов первой и второй структур, при этом базы транзисторов двухтактного предоконечного каскада подключены к соответствующим выходам параметрического стабилизатора тока покоя, а коллекторы выходных транзисторов составных пар транзисторов двухтактного оконечного каскада объединены и являются выходом усилителя мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при использовании низковольтного питания, параметрический стабилизатор тока покоя выполнен на транзисторе, первом и втором прямосмещенных диодах, включенных последовательно между коллектором и эмиттером транзистора, делителе напряжения, включенном между шинами питания, отвод которого подключен к базе транзистора, резисторе обратной связи, включенном между базой и коллектором транзистора, коллектор и эмиттер которого являются выходами параметрического стабилизатора тока покоя, причем эмиттеры первого и второго транзисторов объединены и подключены к несимметричному выходу входного каскада, между базами первого и второго транзисторов и соответствующими шинами питания включены соответственно первый и второй резисторы, коллекторы первого и второго транзисторов соединены с базами входных транзисторов соответствующих составных пар транзисторов двухтактного оконечного каскада, коллекторы которых подключены к противоположным шинам питания.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве оконечного усилителя низкой частоты различных радиотехнических устройств с повышенным требованием к экономичности, например, питаемых от батарей и аккумуляторов, а также в различных устройствах автоматики.
Известна схема высоковольтного усилителя, в которой двухтактный выходной каскад на комплементарных транзисторах, включенных по схеме с ОЭ, коллекторы которых объединены и являются выходом усилителя, предоконечный двухтактный каскад выполнен на комплементарных транзисторах, включенных по схеме с ОБ, коллекторы которых подключены к базам выходных транзисторов соответственно обратной структуры, эмиттеры через ограничительные резисторы объединены и являются входом выходного каскада, а между базами включены четыре прямосмещенных диода. Возбуждается выходной каскад от ОУ, охваченного через выходной каскад отрицательной обратной связи (ООС).
Усилитель предназначен для работы в широком диапазоне питающих напряжений.
Основным недостатком этой схемы усилителя является то, что она практически предназначена для усиления напряжения, поскольку для введения в насыщение выходных транзисторов при работе на низкоомную нагрузку, характерную для усилителей мощности, нуждается в управляющем токе выходных транзисторов в десятки и сотни миллиампер, который ОУ через ограничительные резисторы не способен обеспечить.
Известна схема усилителя мощности, используемого в ряде промышленно выпускаемых радиоприемников с низковольтным питанием, в том числе "Свирель".
Выходная группа двухтактного каскада состоит, из комплементарных транзисторов, включенных по схеме с ОЭ. Для управления токами без выходной группы транзисторов служат два комплементарных транзистора, включенных по схеме с ОЭ, токи коллекторов которых являются токами без выходной группы транзисторов.
Весь каскад охвачен отрицательной обратной связью (ООС, последовательной по напряжению) делителем из резисторов и конденсатора.
Основным недостатком этой схемы является невозможность ввода выходных транзисторов в режим глубокого насыщения при низковольтном (меньше 3 В) питании.
Ток базы выходного транзистора верхнего плеча протекает по цепи: положительный полюс источника питания, переход эмиттер-база выходного транзистора, цепь коллектор-эмиттер транзистора, резистор обратной связи. Точка соединения резистора обратной связи с сопротивлением нагрузки (динамическая головка) через конденсатор большой емкости соединен с противоположной шиной источника питания, и ее потенциал равен половине напряжения источника питания (искусственная средняя точка). Таким образом, максимальное напряжение, которое может быть приложено к переходу база-эмиттер выходного транзистора, равно: U_бэ= U_{кэ нас}-U_Roc, где U_{кэ нас} напряжение насыщения транзистора предоконечной группы; U_Roc напряжение на резисторе обратной связи (примерно 1/3 от выходного напряжения, по соотношению резисторов делителя обратной связи (ОС), т.е. в любом случае меньшее половины напряжения источника питания примерно на 0,6-0,8 В.
Следовательно, при питании усилителя источником 3 В к базе транзистора выходной группы будет приложено примерно 0,7-0,9 В, что уже недостаточно для ввода его в режим глубокого насыщения.
По техническим характеристикам, приводимым для радиоприемников "Свирель", выходная мощность УНЧ составляет всего 40 мВт при питании 3 В и коэффициенте гармоник 7,5% тогда как при напряжении насыщения выходных транзисторов 0,1-0,2 В при этом же питании на этой нагрузке (8 Ом) можно получать 100-120 мВт.
Известна схема усилителя мощности, в которой выходной двухтактный каскад составлен из трех групп попарно-комплементарных транзисторов, последовательно включенных соответственно ОЭ, ОК, ОЭ. Транзисторы, включенные по схеме с ОК, усиливают по току промежуточный сигнал и облегчают ввод в насыщение при сравнительно высоких напряжениях питания транзисторов выходной группы.
Основным недостатком схемы является практически неработоспособность при низковольтном питании, поскольку для ввода в насыщение транзистора, перед которым расположен эмиттерный повторитель напряжения, на базе последнего должно быть еще 0,5-0,6 В, больше, чем для одиночного транзистора, включенного по схеме с ОЭ.
Известна схема усилителя мощности, содержащего линейный усилитель напряжения с дифференциальным входом и несимметричным выходом, двухтактный выходной каскад с входной группой на комплементарных транзисторах, включенных по схеме с ОБ, эмиттеры которых через резисторы местной ОС объединены и являются входом выходного каскада, между базами включены параметрические стабилизаторы на стабилитронах и резисторах, а коллекторы подключены к базам составных транзисторов выходной группы соответственно обратной структуры, коллекторы которых объединены и являются выходом усилителя, а эмиттеры через резисторы обратной связи соединены с соответствующими шинами источников питания, а между базами и соответствующими шинами включены термостабилизирующие цепочки из резистора и двух последовательно соединенных диодов.
Основным недостатком схемы является резкое снижение КПД при уменьшении напряжения питания ниже 10 В ( 5), так как наличие обратной связи (последовательной по току), необходимой для температурной стабилизации, и повышенное напряжение насыщения составных транзисторов (не менее 0,5 В) ограничивает предел минимального напряжения питания.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения усилителя мощности, т.е. способного работать как при высоком, так и пониженном напряжении питания.
Поставленная цель решается следующим образом.
В схеме усилителя мощности параметрический стабилизатор тока покоя выполнен на транзисторе, первом и втором прямосмещенных диодах, включенных последовательно между коллектором и эмиттером транзистора, делителе напряжения, включенном между шинами питания, отвод которого подключен к базе транзистора, резисторе обратной связи, включенном между базой и коллектором транзистора, коллектор и эмиттер которого являются выходами параметрического стабилизатора тока покоя, причем эмиттеры первого и второго транзисторов объединены и подключены к несимметричному выходу входного каскада, между базами первого и второго транзисторов и соответствующими шинами питания включены соответственно первый и второй резисторы, коллекторы первого и второго транзисторов соединены с базами входных транзисторов соответствующих составных пар транзисторов двухтактного оконечного каскада, коллекторы которых подключены к противоположным шинам питания.
Схема усилителя мощности представлена на чертеже. Усилитель мощности содержит линейный входной усилитель напряжения с дифференциальным входным каскадом на транзисторах 1 и 2, резисторах 3, 4 и 5 и схеме сдвига уровня на транзисторе 6 с резистором 7, двухтактный выходной усилитель с входной группой на транзисторах 8 и 9 с источником смещения на диодах 10 и 11 с резисторами 12 и 13, параметрический стабилизатор тока покоя на транзисторе 14 с резистором обратной связи 15 и делителем на резисторах 16 и 17, эмиттерные повторители на транзисторах 18 и 19 и выходную группу на транзисторах 20 и 21.
База транзистора 1 является инвертирующим, а база транзистора 2 неинвертирующим входами усилителя. Коллектор транзистора 1 связан с базой транзистора 6 схемы сдвига уровня. Выход линейного усилителя напряжения коллектор транзистора 6 связан с входом выходного каскада объединенные эмиттеры транзисторов 8 и 9. Источник напряжения смещения на последовательно соединенных диодах 10 и 11 с резисторами 12 и 13 подключен между базами транзисторов входной группы 8 и 9, к этим же базам подключен транзистор 14 параметрического стабилизатора тока покоя, между базой и коллектором которого подключен резистор обратной связи 15, а к базе подключены два резистора делителя 16 и 17. Базы транзисторов эмиттерных повторителей 18 и 19 подключены к коллекторам транзисторов 8 и 9 соответственно обратной структуры, а их эмиттеры к базам выходных транзисторов 20 и 21 такой же структуры, коллекторы транзисторов эмиттерных повторителей подключены к противоположным шинам источника питания.
Объединенные коллекторы транзисторов 20 и 21 являются выходом усилителя.
Усилитель работает следующим образом. Линейный входной усилитель напряжения на дифференциальном каскаде на транзисторах 1 и 2 с резисторами 3, 4 и 5 и схемой сдвига уровня на транзисторе 6 обеспечивает усиление по напряжению, выбор способа включения обратной связи (усилитель может работать в инвертирующем и неинвертирующем включениях) и уменьшает благодаря действию общей обратной связи характерные для двухтактного каскада искажений типа "ступенька". Входная группа транзисторов 8 и 9 двухтактного выходного каскада обеспечивает расщепление входного линейного сигнала на две полярных составляющих, их сдвиги и усиление по напряжению. Эмиттерные повторители 18 и 19 блокируют действие обратной связи (параллельной по току), свойственной каскаду с ОБ, и тем самым исключает влияние выходного тока усилителя на входное сопротивление выходного каскада. Выходная группа транзисторов 20 и 21 обеспечивает основное усиление сигнала мощности.
Падение напряжения на диодах 10 и 11 от тока, протекающего через резисторы 12 и 13, фиксирует потенциал баз и является источником напряжения смещения транзисторов 8 и 9 входной группы.
Делитель на резисторах 16 и 17 обеспечивает потенциал баз транзистора 14 параметрического стабилизатора выше потенциала его эмиттера (транзистор 14 может быть как структуры n-p-n так и структуры p-n-p, в этом случае выводы коллектора и эмиттера, а также резисторы 12 и 13 меняются местами). Этот потенциал увеличивается с ростом напряжения питания, вследствие чего транзистор 14 открывается, напряжение между базами транзисторов 8 и 9 уменьшается, поэтому уменьшается сквозной ток (ток покоя) выходной группы транзисторов 20 и 21.
Резистор 15 обратной связи уменьшает коэффициент усиления транзистора 14 и обеспечивает соответствие тока покоя напряжению питания.
Поскольку потенциалы баз транзисторов входной группы двухтактного выходного каскада фиксированы (для напряжения сигнала), а входное напряжение изменяет потенциал их эмиттеров, то при незначительном сквозном токе (практически входном токе эмиттерного повторителя) они могут быть введены в режим глубокого насыщения.
Таким образом, напряжение, прикладываемое к двум последовательно включенным переходам эмиттерного повторителя и выходного транзистора, может превышать половину значения источника напряжения питания.
Этим объясняется возможность ввода транзисторов выходной группы в режим глубокого насыщения при напряжениях питания, меньших 3 В, и получение высокого коэффициента использования коллекторного напряжения.
Из источников патентной и технической литературы можно сделать вывод, что практически отсутствуют схемы усилителей мощности низкой частоты, способные эффективно отдавать мощность при напряжениях питания менее 3 В.
Проведя сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом, можно сделать вывод, что усилитель по предлагаемому изобретению обладает элементами новизны, которые заключаются в новом выполнении узлов схемы усилителя и новых связей между узлами.
Следовательно, предлагаемое решение удовлетворяет критерию изобретения "новизна".
Сравнивая предлагаемое решение с прототипом, видно, что выполнение схемы усилителя мощности, в которой параметрический стабилизатор тока покоя выполнен в виде транзистора с резистором обратной связи и делителем на резисторе, а коллекторы эмиттерных повторителей подключены к противоположным шинам источника питания, дает новый неожиданный положительный эффект и решает поставленную задачу, т. е. позволяет расширить область применения и работать как при высоких, так и при низких напряжениях питания.
Проведенный анализ показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию "существенные отличия".
Предлагаемая схема усилителя мощности способна работать в широком диапазоне напряжений питания.
Изобретение относится к области радиотехники. Цель изобретения повышение КПД при использовании низковольтного питания. В усилителе мощности используется входной каскад с дифференциальным входом и несимметричным выходом, двухтактный предконечный каскад, первое и второе плечи которого выполнены соответственно на первом и втором транзисторах первой и второй структур, и двухтактный оконечный каскад, первое и второе плечи которого выполнены соответственно на составных парах транзисторов первой и второй структур. Стабилизация тока покоя осуществляется с помощью параметрического стабилизатора тока покоя, который выполнен на транзисторе, первом и втором прямосмещенных диодах, включенных последовательно между коллектором и эмиттером транзистора, на делителе напряжения, включенном между шинами питания, отвод которого подключен к базе транзистора, на резисторе обратной связи, включенном между базой и коллектором транзистора, коллектор и эмиттер которого являются выходами параметрического стабилизатора тока покоя. 1 ил.