Усилитель мощности

(5 цс Н 0 Е ическии инсти 7,ОСТИ иотехнике и теля низкоч От ниэковол ПОСТОЯННОГО усилитель с элек- стоттных тока. одерГОСУДАРСТВЕННОЕПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Самарский электротетут связи(57) Использование: в радтросвязи в качестве усилиных сигналов с питаниемавтономных источниковСущность изобретения: в Изобретение относится к радиотехнике и усилительным устройствам и может быть использовано в качестве усилителя низкочастотныхсигналов в устройствах с питанием от ни 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 объекта изобретения и риведена 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 жащий 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. 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 объединены, 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 итранзистор 2. Точка соединения эмиттеровтранзисторов 3 и 4 соединена с цепью, выполненной на последовательно соединенных резисторах 15 и 16 и конденсаторе 18,свободный вывод которого является входомусилителя. Между коллектором транзистора12 и точкой соединения резисторов 5 и 6включены последовательно соединенныерезисторы 13 и 14, При этом точка соединения коллектора транзистора 12 и резистора13 соединена с базой транзистора 1, точкасоединения резисторов 13 и 14 соединена сбазой транзистора 2, точка соединения резисторов 15 и 16 соединена с базой транзистора 12 и через десятый резистор 17 совторой шиной питания, Точка соединенияконденсатора 11 и резистора 7 является выходом усилителя мощностиНагрузка усилителя должна иметь малое сопротивлениедля постоянного тока,Транзисторы 1 - 4 являются активнымиэлементами усилителя мощности, обеспечивающими усиление тока и низкое значениевыходного сопротивления усилителя,Резисторы 8 и 9 используются дляуменьшения усиления в области частот отдесятков до сотен мегагерц, Это необходимо для предотвращения самовозбужденияэмиттерных повторителей, выполненных натранзисторах 1 и 2. Оно возможно из-задостаточно больших емкостей база-коллектор транзисторов 3 и 4, нагружающих указанные змиттерные повторители.Резисторы 5 и 7 обеспечивают протекание токов покоя транзисторов 1 и 2. Сопротивления этих резисторов обычно выбираются вдиапазоне от сотен ом до единиц килоом иопределяют значения указанных токов покоя.Резистор 6 и нагрузка усилителя (на схеме не показана и подключена к выходу усилителя мощности) вместе с конденсаторами10 и 11 образуют две так называемые цепивольтдобавки. используемые для увеличения максимального значения выходного напряжения усилителя, при котором нелинейныеискажения сигнала еще достаточно малы,Сопротивления этих элементов обычно выбираются в пределах от 0,1 до 0,5 значенийсопротивлений резисторов 5 и 7 и, поэтомуот их значения также зависят значения токов покоя транзисторов 1 и 2. Кроме того,конденсатор 11 выполняет функцию разде-.лительного элемента, предотвращающегопротекание через нагрузку усилителя постоянного тока транзистора 3. Реактивное сопротивление указанного конденсатора нанижней частоте спектра сигнала должнобыть в несколько раз ниже сопротивлениянагрузки усилителя,Транзистор 12 с конденсатором 18 ирезисторами 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"0 тока покоя, резисторы 15 и 16 - введениеотрицательной обратной связи по постоянному и по переменному току, Отношениесопротивлений резисторов 15 и 16 определяет значение коэффициента усиления на 15 пряжения усилителя с обратной связью, аконденсатор 18 является разделительным иимеет на нижней частоте спектра сигналасопротивление, которое в несколько раз ниже сопротивления резистора 16.20 Резистор 14 подключен одним из выводов к соединенным выводам резисторов 5 и6 для увеличения значения коэффициентаусиления каскада, выполненного на транзисторе 12. и увеличении максимального не-.25 искаженного значения его выходногонапряжения. Это обеспечивается использованием выходного напряжения цепи вольтдобавки, содержащей конденсатор 10,Резистор 13 используется для получе 30 ния напряжения, которое вводится междубазами транзисторов 1 и 2, и обеспечиваетуменьшение постоянного напряжения, приложенного между базами транзисторов 3 и4, и уменьшение токов покоя этих транзи 35 сторов. Сопротивление резистора 13 обычно выбирается таким, что ток покоятранзистора 12 создает на нем падение напряжения, не превышающее 100 мВ, В результате введения резистора 13 в усилитель40 оказывается возможным установить малыеи стабильные значения токов покоя транзисторов 3 и 4 при использовании транзисторов 3 и 4 при использовании транзисторов1 и 2 более маломощных, чем 3 и 4, В изве 45 стном же усилителе-прототипе транзисторы1 - 4 имеют близкие значения площадей р-ипереходов для обеспечения стабильноститоков покоя транзисторов 3 и 4,В том случае, когда все транзисторы50 усилителя кремниевые, при включении питания в результате действия отрицательнойобратной связи по постоянномутоку на базетранзистора 12 устанавливается постоянное напряжение порядка 0,7 В, На соеди 55 ненных эмиттерах транзисторов 3 и 4устанавливается напряжение, большее чем0,7 В в количество раз, близкое к отношению суммы сопротивленийрезисторов 15 и17 к сопротивлению резистора 17, При этмток покоя транзистора 12 имеет знг:ение,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 0,60,7 В, При подключении на вход усилителя источника напряжения сигнала 10 через конденсатор 18 и резистор 16 протекает переменный ток, значение которого несколько больше переменного тока обратной связи, протекающего через резистор 15, Разность укаэанных токов поступает в базу 15 транзистора 12 и дает на выходе каскада, выполненного на этом транзисторе, напряжение, близкое к входному напряжению по 20 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 25 верхний по схеме вывод резистора 5 и нижний вывод резистора 7 поступают напряжения вольтдобавок, имеющие амплитудные 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 значения 40 ми, Поэтому токИ указанных резисторов имеют переменные составляющие, значения которых во много раз меньше средних значений этих токов,Переменное напряжение нагрузки усилителя служит в нем напряжением вольтдобавки для эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе 2. При использовании усилителя следует учитывать тот факт, что его входное сопротивление 50 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 обьекта изобретения, рассчитанный на работу от значения выходного напрякения усилителя, Они обеспечивают увеличение коэффициента усиления напряжения усилителя при 30 источника постоянного тока с напряжением 3 В. В качестве транзисторов 3 и 4 были использованы транзисторы КТ 817 Б и КТ 816 Б, а в качестве транзисторов 1,2 и 12-КТ 361 Б, КТ 315 Б и КТ 3102 Е,Максимальное амплитудное значение выходного напряжения усилителя при нагрузке с сопротивлением 50 Ом было равно 1,3 В, Значение коэффициента гармоник при амплитудном значении выходного напряжения 1 В не превышало 0,5% даже при коэффициентах усиления тока транзисторов 1 - 4, не превышающих 50.По отношению к прототипу объект изобретения имеет преимущество, заключающееся в том, что при малом напряжении питания коэффициент использования напряжения питания 0,43 и близок к предельному значению, равному 0,5, Кроме того, он имеет малое значение коэффициента гармоник и обеспечивает усиление напряжения без использования операционного усилителя, введение которого в усилитель ведет к уменьшению коэффициента использования напряжения питания и к ограничению сверху спектра частот усиливаемых сигналов.Предполагается использовать объект изобретения в портативном радиоприемнике, который разработан в КЭИС для выпуска на одном из предприятий Самары.В настоящее время наиболее распространенными в новых малогабаритных радиоприемниках с питанием от батарей, имеющих малое напряжение, являются бестрансформаторные усилители с выходными каскадами, в которых оба последних комплементарных транзистора включены по схеме с общим эмиттером, В качестве базового обьекта для сравнения может быть взят усилитель мощности радиоприемника "Вега 341", Указанный усилитель содержит 7 транзисторов и питается от батареи с напряжением 6 В, При напряжении питания 3 В он практически неработоспособен, так как при этом его коэффициент гармоникблизок к 50%.Его существенным недостатком по сравнению с изобретением является необходимость использования для питания четырех 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 надежностью,В малогабаритных приемниках более ранних выпусков применяются усилители мощности с трансформаторами, которые также можно использовать в качестве базовых обьектов, 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 строяпри случайном изменении полярности напряжения питания.Формула иэо бр ете н и я 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 имеющйх 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 резисто.- ров, эмиттер четвертого транзистора соединен через второй конденсатор с одним из выводов третьего резистора, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений при питании от низ ковольтного источника постоянного тока иувеличения значения коэффициента использования напряжения питания, введены дополнительный каскад, выполненный на пятом транзисторе, включенном по схеме с 10 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 15 четвертого транзисторов соединена сцепью, выполненной на последовательно соединенных восьмом и девятом резисторах и третьем конденсаторе, соответствующий вывод которого является входом 20 усилителя мощности, а между коллекторомпятого транзистора и точкой соединения первого и второго резисторов включены последовательно соединенные шестой и седьмой резисторы, причем точка соединения 25 коллектора пятого транзистора и шестогорезистора соединена с базой первого транзистора, а точка соединения шестого и седьмого резисторов соединена с базой второго транзистора, точка соединения восьмого и 30 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.