ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ С МАЛЫМ УРОВНЕМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И ШУМОВ
BROADBAND POWER AMPLIFIER WITH LOW LEVEL OF NONLINEAR DISTORTIONS AND NOISE

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов по мощности, в структурах буферных усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные инвертирующие усилители мощности (ШУМ). Они являются основой различных аудиосистем, радиопередающих устройств, драйверов и т.п.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема широкополосного усилителя мощности фиг.1, представленная в патенте US 5.237.526 fig.1b, 1a, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1-14]. Во многих практических случаях выходной каскад ШУМ реализуется по схеме с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.2), причем такое решение ШУМ является классическим для его многих применений [10-14].
Существенный недостаток известного ШУМ фиг.1 (фиг.2) состоит в том, что он имеет повышенный уровень нелинейных искажений, который характеризуется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШУМ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШУМ [11, 13, 14].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов в цепи нагрузки широкополосного усилителя мощности с инвертирующим выходным каскадом.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе мощности фиг.1, содержащем инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3, цепь нагрузки 4, подключенную к выходу 5 устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - вход инвертирующего выходного каскада 1 связан со входом 2 устройства и источником входного напряжения 3 через первый 6 дополнительный резистор, между входом 2 и выходом 5 устройства включены последовательно соединенные второй 7 и третий 8 дополнительные резисторы, общий узел которых 9 подключен ко входу корректирующего каскада 10, токовый выход которого 11 соединен со входом инвертирующего выходного каскада 1.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлен пример практической реализации инвертирующего выходного каскада 1.
На фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема заявляемого устройства фиг.3 для моделирования эффекта коррекции нелинейных искажений из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего выходного каскада 1. При этом инвертирующий выходной каскад 1 реализован здесь по традиционной схеме на операционном усилителе с параллельной обратной связью по напряжению на элементах 12-17.
c
вх
ош
ош
ш
На фиг.5 представлена схема широкополосного усилителя мощности фиг.3 в среде PSpice при сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм, а также при частоте входного сигнала f=1 кГц, u=100 мВ и напряжении шума (u), моделирующего нелинейные искажения: u=10 мВ, f=5 кГц.
На фиг.6 показана зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.5 от частоты при крутизне преобразователя 10 «напряжение-ток» S=0 (корректирующего каскада 10) и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм.
На фиг.7 приведена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.5 от частоты при крутизне преобразователя 10 «напряжение-ток» (корректирующего каскада 10) S=1 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора RO=R6=1 кОм.
На фиг.8 представлена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ рис.4 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=30 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм.
вx
c
ош
ш
На фиг.9 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice при сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом, u=100 мВ, f=1 кГц, u=10 мВ, f=5 кГц.
На фиг.10 приведена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.9 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=0 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом.
На фиг.11 показана зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.9 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=30 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом.
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов (фиг.2) содержит инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3, цепь нагрузки 4, подключенную к выходу 5 устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада 1. Вход инвертирующего выходного каскада 1 связан со входом 2 устройства и источником входного напряжения 3 через первый 6 дополнительный резистор, между входом 2 и выходом 5 устройства включены последовательно соединенные второй 7 и третий 8 дополнительные резисторы, общий узел которых 9 подключен ко входу корректирующего каскада 10, токовый выход которого 11 соединен со входом инвертирующего выходного каскада 1.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве корректирующего каскада 10 может использоваться преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.
На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве корректирующего каскада 10 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.
вых
На фиг.4 инвертирующий выходной каскад 1 реализован по схеме с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (резисторы 12, 13) на усилительных каскадах 14, 15 и элементах частотной коррекции 16, 17, определяющих максимальную скорость нарастания выходного напряжения выходного каскада 1 (ϑ).
ош
Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.3, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в инвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений u.
9
ош
ош
ш
Физический смысл эффекта подавления шумов в усилителе мощности фиг.3 связан, во-первых, с выделением в узле 9 сигнала ошибки u~u, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих u на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой f=5 кГц):
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>7</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
.
вx
вх
вых
вх
При этом следует заметить, что в узле 9 отсутствует входной усиливаемый сигнал u с рассматриваемой в данном случае частотой 1 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 9 двух его противофазных составляющих u и u=-u.
9
ош
ош
Выделенная таким образом ошибка u≈u/2 вводится (благодаря резистору 6) во входную цепь выходного каскада 1 и корректирующего каскада 10 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение u, генерируемое этим выходным каскадом.
10
ош
вых
Рассмотрим далее результаты моделирования. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 10 (S=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений u полностью передается в нагрузку 4. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 5 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 5 кГц имеет амплитуду u=10 мВ.
10
ош
10
При введении цепи коррекции 10, имеющей крутизну S=1 См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.2 с частотой 5 кГц уменьшается в 500 раз с 10 мВ до 20 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления u достаточно для многих применений. Дальнейшее увеличение крутизны S обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно.
При малых значениях сопротивления резистора R0=R6=50 Ом (фиг.9) также реализуется подавление шумов в базовой схеме (фиг.10, фиг.11).
вых
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по уровню подавления нелинейных искажений и шумов. Кроме этого, как показывает моделирование, предлагаемая структура ШУМ позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения устройства в целом при малых значениях ϑ в выходном инвертирующем каскаде 1.
Источники информации
1. Патент RU 2274946 fig.1b.
2. Патент US 5.512.856.
3. Патент US 5.237.526.
4. Патент US 6.707.339.
5. Патентная заявка US 2006/0087369 fig.6.
6. Патентная заявка US 2005/0231277 fig.1.
7. Патент US 4.215.317.
8. Патентная заявка US 2005/0024141.
9. Патент US 6.127.888.
10. Патент US 5.745.587.
11. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е. Полонников. - М., 1983. - стр.141, рис.4.14.
12. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.259.
13. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: монография / Н.Н. Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.
14. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.