ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
BROADBAND POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в т.ч. ВЧ и СВЧ диапазонов.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные неинвертирующие усилители (ШНУ), обеспечивающие усиление по мощности и преобразование входных сигналов [1-15].
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ШНУ фиг.1, представленная в патенте US 5.512.859, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1÷17]. Во многих практических случаях выходной неинвертирующий каскад ШНУ реализуется по схеме с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3), причем такое решение ШНУ является классическим для его многих применений [16-17].
Существенный недостаток известного ШНУ фиг.1 (фиг.2, фиг.3) состоит в том, что он характеризуется повышенным уровнем нелинейных искажений, который измеряется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШНУ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШНУ [16, 17].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1 (фиг.2, фиг.3), содержащем неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен корректирующий каскад 7, токовый выход которого 8 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1, между входом устройства 2 и входом 9 корректирующего каскада 7 включен первый 10 дополнительный резистор, а выход устройства 6 связан со входом 9 корректирующего каскада 7 через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель 11 и второй 12 дополнительный резистор.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена функциональная схема усилителя-прототипа фиг.1.
На чертеже фиг.3 показана схема, соответствующая чертежу фиг.2, в которой дан конкретный пример построения неинвертирующего выходного каскада 1 со стабильным коэффициентом передачи на основе операционного усилителя А1 и резисторов R1 и R2.
ош
вх
На чертеже фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения u моделирует генерацию нелинейных искажений в схеме фиг.4, обусловленных неинвертирующим выходным каскадом 1, а также шумов и наводок различной природы. Как правило, это вторая, третья и другие гармоники основного сигнала u.
На чертеже фиг.5 приведена схема фиг.4 в среде PSpice, на базе которой проведено компьютерное исследование заявляемого (G≠0) и известного (G=0) устройств. Здесь корректирующий каскад 7 моделируется элементом G1 с крутизной Gain.
7
вх
ош
На чертеже фиг.6 показан спектр выходного напряжения модели устройства фиг.5 при значении крутизны (S=Gain) корректирующего каскада 7 Gain=0 при входном напряжении u=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также при напряжении ошибки u=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения ШНУ с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. При таком режиме изменений в схеме фиг.5 спектр фиг.6 соответствует прототипу.
7
7
вх
ош
На чертеже фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S=Gain корректирующего каскада 7 S=Gain=1 См при входном напряжении u=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки u=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Сравнение чертежей фиг.6 и фиг.7 показывает, что амплитуда третьей гармоники на выходе заявляемого устройства фиг.5 при S7=Gain≠0 уменьшилась (за счет новых связей) с 1 мВ до 1,65 мкВ, т.е. более чем в 500 раз.
7
вх
ош
На чертеже фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S=Gain=2 См при входном напряжении u=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки u=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась в сравнении с фиг.6 более чем в 1400 раз.
7
вх
ош
На чертеже фиг.9 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S=Gain=3 См при входном напряжении u=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки u=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась в сравнении с фиг.6 более чем в 2600 раз.
7
вх
ош
На чертеже фиг.10 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S=Gain=5 См при входном напряжении u=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки u=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 в сравнении с фиг.6 уменьшилась более чем в 5000 раз.
На чертеже фиг.11 показан график подавления 3-й гармоники выходного сигнала в заявляемом ШНУ фиг.5 от значения крутизны G1 корректирующего каскада 7. Из данных графиков следует, что для десятикратного подавления третьей гармоники необходимо, чтобы G1=0,021 См. Для подавления третьей гармоники в 100 раз необходимо выбрать G1=0,19 См и т.д.
Широкополосный усилитель мощности фиг.4 содержит неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1. В схему введен корректирующий каскад 7, токовый выход которого 8 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1, между входом устройства 2 и входом 9 корректирующего каскада 7 включен первый 10 дополнительный резистор, а выход устройства 6 связан со входом 9 корректирующего каскада 7 через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель 11 и второй 12 дополнительный резистор.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 7 может использоваться преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.
Кроме этого, на чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 7 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.
ош
Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.4, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в неинвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений u с частотой третьей гармоники 30 кГц.
9
ош
ош
Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 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 30 кГц):
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
10
12
В частном случае при R=R
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>9</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ш</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
вх
вх
вых
При этом следует заметить, что в узле 9 отсутствует входной усиливаемый сигнал u с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 9 двух его равных, но противофазных составляющих u и -u.
9
ош
10
12
ош
Выделенная таким образом ошибка u≈u 12 (при R=R) вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 7 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение u, генерируемое этим выходным каскадом.
Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7.
7
ош
вых
При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 7 (S=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений u полностью передается в нагрузку 5. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 6 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 30 кГц имеет амплитуду u=1 мВ.
ош
При введении цепи коррекции 7, имеющей крутизну S7=l См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.5 с частотой 30 кГц уменьшается в 606 раз с 1 мВ до 1,65 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления u достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S7 обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно (фиг.11).
<mi>ϑ</mi>
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 широкополосного усилителя позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения () устройства в целом, когда выходной неинвертирующий
<mi>ϑ</mi>
вых
каскад 1 имеет малые значения .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.241.283, fig.6.
2. Патентная заявка US 2004/0080371.
3. Патентная заявка US 2006/0132238.
4. Патент JP 10242777.
5. Патент US 4.607.235.
6. Патентная заявка US 2006/0087369, fig. 6.
7. Патентная заявка US 2006/0220590.
8. Патент US 4.335.359.
9. Патент US 4.510.458.
10. Патент US 5.237.526, fig. 2 В.
11. Патентная заявка US 2005/0122170.
12. Патентная заявка US 2005/0035821.
13. Патент US 6.107.884, fig. 2.
14. Патент US 5.225.791.
15. Патентная заявка US 2002/00057592.
16. 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.
17. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: Монография. / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.