Выходной каскад широкополосного усилителя мощности

Предлагаемая полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для построения высокоточных усилителей на транзисторах, не искажающих усиливаемый электрический сигнал звуковых и ультразвуковых частот. Изобретения могут быть использованы в технике зв)асовоспроизведения и могут упростить, удешевить аппаратуру с широкополосными устройствами усиления мощности.
Известен п- каскадный транзисторный усилитель (см. а.с. СССР .№ 327568, опубл. в бюлл. «Открытия. Изобретения. Пром.образцы. Тов. Знаки , 1972, 5).
В известном п- каскадном транзисторном усилителе каскады построены из рпр- и прп- транзисторов, соединенных эмиттерами, в коллекторы одного из транзисторов включены резистивные нагрузки, база одного из транзисторов каждого последующего каскада, начиная со второго, подключена к нагрузке предыдущего каскада, базы всех других транзисторов соединены вместе, образуя общий управляющий электрод каскадов, подключенный к источнику питания через один общий элемент обратной связи каскадов.
Недостатком многокаскадного усилителя является появление нелинейных искажений выходного сигнала, так как для соединения каскадов требуется значительное количество вспомогательных
элементов (RC-цепей ), каждый из которых вносит нелинейные искажения при переходных процессах.
Известно, что качество полевого транзистора, и в частности, скорость его переключения, зависит от возможности подавления эффекта Миллера, обусловленного существованием паразитной емкости Сзс, которая является отрицательной обратной связью между входом и выходом транзистора (см. книгу: «Силовая электроника для любителей и профессионалов, Б.Ю.Семенов, «Солон-Р, М.,2001 г., стр. 69).
Полевой транзистор является усилительным каскадом, выходной сигнал которого снимается с нагрузки в цепи стока. В таком каскаде выходной сигнал будет сдвигаться по фазе относительно входного на 180 °. Обратная связь Сзс настолько сильно уменьшает амплитуду выходного сигнала, что по отношению к нему входная емкость транзистора кажется больше, чем она есть на самом деле: С вх Сзи + (1+К у) Сзс, где К у  SR н - коэффициент усиления каскада; S - силовая крутизна транзистора. Силовая крутизна S транзистора это параметр, определяющий амплитуду выходного тока при заданном управляющем воздействии. Как правило, при схемной разработке транзистора необходимо учитывать возможность появления амплитудных искажений усиливаемого выходного сигнала, способных уничтожить положительные свойства полевого транзистора.
Качество структуры полевого транзистора тем выше, чем выше крутизна и меньше комплексная динамическая нагрузка на усилителе мощности звуковой частоты, в том числе меньше и паразитная динамическая ёмкость, возникающая только при усилении управляющего сигнала на выходных электродах транзистора.
Паразитная динамическая ёмкость зависит от коэффициента передачи и оказывает отрицательное влияние на стабилизацию
напряжения. Если транзистор работает при коэффициенте усиления по напряжению, равном 1, то она практически не влияет на стабилизацию напряжения. Но если транзистор начинает работать при коэффициенте усиления по напряжению, большем 1, например, равном 100, то выходная паразитная динамическая ёмкость, умноженная на коэффициент усиления, возрастает в 100 раз и величина управляющего тока, требуемого на рассасывание этой динамической емкости, также возрастает в 100 раз.
Известен выходной каскад усилителя мощности по патенту Р Ф № 2094942, М.Кл.7: H03F 3/26, опубл. 27.10.97 г., выбранный в качестве ближайщего аналога.
Известный выходной каскад усилителя мощности содержит выходные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (стоком), имеющие истоковые (эммитерные) резисторы внутрикаскадной отрицательной обратной связи. Известный выходной каскад усилителя мощности также содержит первый, второй токозадающие элементы, первый, второй линейные, первый, второй нелинейные преобразователи напряжения в ток, первый, второй делители напряжения элементов обратной связи, включающие первый, второй и третий, четвертый резисторы соответственно, а также - первый и второй пгунтирующие элементы на конденсаторах, первые выводы которых соединены с неинвертирующими входами, а вторые выводы с выходами первого и второго линейных преобразователей напряжения в ток соответственно. Первый и второй элементы обратной связи выполнены в виде делителей напряжений на первом и четвертом резисторах соответственно, выводы первого и третьего резисторов соединены с неинвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток, а вторые выводы с
инвертирующими входами первого и второго нелинейных преобразователей напряжения в ток соответственно.
Известный выходной каскад усилителя мощности для его осуществления имеет следующие недостатки:
-значительные нелинейные искажения выходного сигнала при изменениях напряжения на выходных электродах транзисторов;
-отрицательное влияние комплексной динамической нагрузки на усилитель мощности звуковой частоты, искажение амплитудных и частотных параметров выходного сигнала в сравнении с параметрами на входе и, в следствие этого, ухудшение качества звука;
-значительная величина тока покоя, равного 1 амперу, сложность схемы.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в устранении указанных недостатков прототипа, а именно, в:
-стабилизации напряжения на транзисторе за счет уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала при изменениях напряжения на выходных электродах транзисторов;
-снижении влияния комплексной динамической нагрузки на усилитель мощности звуковой частоты за счет устранении влияния на амплитудные и частотные параметры выходного сигнала, возникающих из-за «эффекта Эрли, и, как следствие, ул)шении качества звука;
-снижении величины тока покоя в 20 раз (до 50 мампер);
-упрощении схемы за счет уменьщения количества каскадов усиления в усилителе мощности звуковой частоты;
-уменьщении рассеиваемой мощности на транзисторах выходного каскада;
-снижении температурных нагрузок в 3-4 раза на транзисторах выходного каскада;
- расширение полосы пропускания выходного каскада.
Технический результат достигается следующим решением.
В выходном каскаде широкополосного усилителя мощности, содержащем выходные транзисторы, включенные по схеме с общим коллектором (стоком), имеющие истоковые (эммитерные) резисторы внутрикаскадной отрицательной обратной связи, согласно полезной модели, точка соединения истока первого транзистора с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения, например, стабилитрону, запитанному первым источником постоянного тока, сток первого транзистора запитан от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, и соединен источником тока, выполненным на токозадающем резисторе, со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения, при этом первые транзистор и повторитель напряжения, соединенные с первым опорным источником постоянного напряжения, комплементарны вторым транзистору и повторителю напряжения, исток второго транзистора соединен со вторым опорным источником постоянного напряжения, запитанным вторым источником постоянного тока.
Присоединение точки соединения истока первого транзистора с резистором отрицательной обратной связи к первому опорному источнику постоянного напряжения, например, стабилитрону, запитанному первым источником постоянного тока, и соединение точки стока первого транзистора как с первым повторителем напряжения, взятого с первого источника постоянного тока, так и посредством источника тока, выполненным на токозадаюшем резисторе, со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения, обеспечивает уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала
при изменениях напряжения на выходных электродах транзисторов, а также улучшение частотных характеристик усилителя в целом.
Первый и второй опорные источники постоянного тока (стабилитроны) преобразуют ток в постоянное напряжение и запитывают первый, второй повторители напряжения.
Первый, второй повторители напряжения поддерживают поочередно постоянное напряжение на первом, втором выходных транзисторах через источник тока токозадающего резистора, фиксируя на точках стока первого или второго транзистора напряжение относительно точек их истока. Повторители напряжения работают активно только в одну сторону, первый повторитель повторяет напряжение во время положительной полуволны, когда второй повторитель закрыт, и наоборот.
Входное синусоидальное напряжение от первого источника постоянного тока поступает на сток первого выходного транзистора от первого повторителя напряжения, а на точку его истока - от первого опорного источника постоянного напряжения. Во время усиления положительной полуволны входного задающего сигнала первый выходной транзистор открыт, на его точках сток-исток поддерживается оптимальное стабильное напряжение в пределах 10-12 вольт, второй выходной транзистор закрыт, второй повторитель может быть закрыт.
Во время усиления отрицательной полуволны сигнала первый выходной транзистор закрыт, второй выходной транзисторы открыт, на его точках сток-исток также поддерживается оптимальное стабильное напряжение в пределах 10-12 вольт.
Соединение первых транзистора и повторителя напряжения с первым опорным источником постоянного напряжения комплементарно второму транзистору и второму повторителю
напряжения, и соединение истока второго транзистора со вторым опорным источником постоянного напряжения, запитанным вторым источником постоянного тока, позволяет снизить влияние комплексной динамической нагрузки, особенно, динамической паразитной ёмкости выходного каскада усилителя мощности звуковой частоты.
Это объясняется тем, что в момент перехода через верхнюю точку преобразования отрицательной полуволны сигнала в положительную, когда второй транзистор закрывается, а первый открывается, закрывается второй повторитель напряжения и автоматически прекращает рассасывание емкости исток-сток второго транзистора.
Соединение стока первого транзистора с источником тока, выполненным на токозадающем резисторе, со стоком второго транзистора и выходами первого, второго повторителей напряжения, обеспечивает рассасывание ёмкости сток-исток через резистор током второго повторителя напряжения.
Токозадающий резистор, первый, и второй повторители напряжения поддерживают напряжение на выходных электродах первого, второго транзисторов постоянным, исключая динамическую емкость, при этом входной сигнал выходного каскада не нагружается динамической емкостью.
Поддержание на выходных электродах транзистора оптимального стабильного напряжения в пределах 10-12 вольт в свою очередь снижает влияние «эффекта Эрли почти на 2 порядка, выходной сигнал усилителя повторяет входной с больщей степенью точности, нелинейные искажения значительно уменьшаются и, как следствие, улучшается качество звука усилителя мощности. Кроме того, это позволяет снизить величину тока покоя каскада, управляющего
ВЫХОДНЫМИ транзисторами, до 5-10 миллиампер нри величине нагрузочного тока, равной 30 ампер.
Устранение влияния динамической емкости позволяет расширить полосу пропускания всего усилителя и повышает быстродействие усилителя, т.е. позволяет усилителю корректировать свои внутренние искажения.
Сушность заявляемого технического решения поясняется изображенной на фигуре функциональной схемой выходного каскада широкополосного усилителя мощности.
На электродах сток-исток транзисторов выходного каскада широкополосного усилителя мощности в выходном каскаде широкополосного усилителя мощности предусмотрены выходные транзисторы 1,2, включенные по схеме с общим коллектором (стоком), имеющие истоковые (эммитерные) резисторы 3,4 внутрикаскадной отрицательной обратной связи. Точка соединения истока первого транзистора 1 с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения 5, запитанному первым источником 6 постоянного тока. Сток первого транзистора 1 запитан от первого повторителя напряжения 7, взятого с первого источника постоянного тока 6, и соединен источником тока, выполненным на токозадающем резисторе 8, со стоком второго транзистора 2 и выходом второго повторителя напряжения 9.
Первые транзистор 1 и повторитель напряжения 7, соединенные с первым опорным источником постоянного напряжения 5, комплементарны вторым транзистору 2 и повторителю 9 напряжения. Исток второго транзистора 2 соединен со вторым опорным источником постоянного напряжения 10, запитанным вторым источником постоянного тока 11.
Процесс стабилизации напряжения на элеюродах сток-исток транзисторов выходного каскада широконолосного усилителя мощности ведется в следующей последовательности:
-снимают напряжение с электрода истока первого транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от первого опорного источника постоянного напряжения, запитанного первым источником постоянного тока;
-электрод стока первого транзистора запитывают постоянным рабочим напряжением от первого повторителя напряжения, взятого с первого источника постоянного тока;
-электрод стока первого транзистора соединяют источником тока со стоком второго транзистора и выходом второго повторителя напряжения комплементарно второму транзистору и повторителю напряжения;
-снимают напряжение с электрода истока второго транзистора и относительно него выставляют постоянное рабочее напряжение, взятое от второго опорного источника постоянного напряжения, запитанного вторым источником постоянного тока.
При подаче входного напряжения на первый 6 , второй 11 затворы (базы) выходных транзисторов 1,2 на первом выходном транзисторе 1 усиливается положительная полуволна входного задающего сигнала, начинается изменение напряжения, изменяются его параметры. Чтобы напряжение на первом выходном транзисторе 1 не менялось, его сток соединен с первым повторителем напряжения 7, взятого с первого источника постоянного тока 6 , а точка соединения истока первого транзистора 1с резистором отрицательной обратной связи присоединена к первому опорному источнику постоянного напряжения (стабилитрону) 5, запитанному первым источником постоянного тока 6.
Повторитель напряжения 7 повторяет напряжение источника постоянного напряжения 5, фиксируя на стоке напряжение относительно истока транзистора 1 в пределах 8-12 вольт. Поскольку сток первого транзистора 1 запитан от первого повторителя напряжения 7 и соединен с источником тока, выполненным на токозадающем резисторе 8, то на протяжении положительной полуволны входного задающего сигнала все параметры выходного транзистора, зависящие от напряжения сток-исток, остаются неизменными.
Во время усиления отрицательной полуволны сигнала первый повторитель напряжения 7 работает как повторитель напряжения, а первый выходной транзистор 1 закрыт, второй повторитель 10 и второй выходной транзисторы 2 открыты.
Второй повторитель напряжения 10 повторяет напряжение источника постоянного напряжения 9, фиксируя на стоке напряжение относительно истока транзистора 2 в пределах 8-12 вольт, т.е. на его точках сток-исток также поддерживается оптимальное стабильное напряжение.
Поскольку сток второго транзистора 2 запитан от второго повторителя напряжения 10 и соединен с источником тока, выполненным на токозадающем резисторе 8, то на протяжении отрицательной полуволны входного задающего сигнала все параметры второго выходного транзистора 2, зависящие от напряжения сток-исток, также остаются неизменными.
Когда положительная полуволна входного напряжения начинает уменьщаться по абсолютному значению, то первый повторитель напряжения 7 закрывается и поддержание постоянного напряжения на первом выходном транзисторе 1 осуществляет второй повторитель напряжения 10 через источник тока токозадающего резистора 8.
Когда отрицательная полуволна входного напряжения начинает уменьшаться по абсолютному значению, то поддержание постоянного напряжения на втором выходном транзисторе осуществляет первый повторитель напряжения.
При переходе через верхнюю точку преобразования отрицательной полуволны сигнала в положительную, когда второй транзистор 2 закрывается , а первый 1 открывается, закрывается второй повторитель напряжения 10 и автоматически прекращает рассасывание емкости исток-сток второго транзистора 2.
При переходе через верхнюю точку преобразования положительной полуволны сигнала в отрицательную, когда первый транзистор 1 закрывается, а второй 2 открывается, закрывается первый повторитель напряжения 7, автоматически прекращает рассасывание емкости истоксток второго транзистора 2.
На ёмкости сток-исток первого транзистора 1 остается первоначальное напряжение, величина которого может быть равна амплитуде предыдущей положительной полуволны.
Схема выходного каскада может работать в жестком режиме В, тогда как выходному каскаду по прототипу, работающему в режиме А-В, присущи значительное внутреннее искажение.