БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к усилительным устройствам, и может быть использована в системах автоматического управления (САУ) различного назначения.
Усилители мощности (УМ), выполненные по бестрансформаторной схеме на комплементарных транзисторах (р-n-р и n-р-n), находят применение в схемах САУ различных устройств автоматики и телемеханики. В известном бестрансформаторном транзисторном УМ, содержащем первый (входной) каскад, выполненный на операционном усилителе (ОУ), второй каскад на комплементарных транзисторах средней мощности, третий (оконечный) каскад на мощных комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», в первом каскаде инвертирующий вход ОУ через резистор подключен к входной шине УМ, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход подключен через резисторы к базам транзисторов n-р-n и р-n-р второго каскада, эмиттеры которых через резисторы соединены друг с другом, с общей и выходной шинами, а их коллекторы соединены через резисторы с базами транзисторов, соответственно, р-n-р и n-р-n третьего каскада, коллекторы которых соединены с выходной шиной УМ, база и эмиттер транзистора р-n-р подключены через резисторы к шине положительного напряжения питания, а база и эмиттер транзистора n-р-n - к шине отрицательного напряжения питания, выходная шина УМ через резистор соединена с инвертирующим входом ОУ первого каскада [Г.С.Остапенко. Усилительные устройства. М, «Радио и связь», 1989, стр.258, рис.5.11].
Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного УМ, является искажение выходных сигналов из-за нелинейности его передаточной характеристики. Это обусловлено тем, что при величине входного напряжения менее 0,5 В на базе работающего в режиме класса «В» транзистора третьего каскада его коэффициент усиления практически равен нулю, в следствие чего образуется зона нечувствительности при малых входных сигналах. Она может быть устранена путем перевода работы этого транзистора из режима «В» в режим «АВ» за счет смещения начальной рабочей точки в область, близкую к линейному режиму. Однако при этом снижаются энергетические характеристики УМ и
может быть нарушена тепловая устойчивость транзистора при повышении температуры окружающей среды. Все это ограничивает функциональные возможности УМ.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Ее задачей является создание транзисторного УМ, у которого отсутствует зона нечувствительности в области малых входных сигналов при сохранении энергетических преимуществ работы в режиме «В» в области больших входных сигналов, что расширяет функциональные возможности устройства. Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, выражается в снижении искажений выходных сигналов УМ за счет обеспечения линейности его передаточной характеристики.
Это достигается тем, что в известный бестрансформаторный транзисторный УМ, содержащий первый (входной) каскад, выполненный на первом ОУ, второй каскад на комплементарных транзисторах средней мощности, третий (оконечный) каскад на мощных комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», причем в первом каскаде инвертирующий вход первого ОУ через резистор подключен к входной шине УМ, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход подключен через резисторы к базам транзисторов n-р-n и р-n-р второго каскада, эмиттеры которых через резисторы соединены друг с другом, с общей и выходной шинами, а их коллекторы соединены через резисторы с базами транзисторов, соответственно, р-n-р и n-р-n третьего каскада, коллекторы которых соединены с выходной шиной УМ, база и эмиттер транзистора р-n-р подключены через резисторы к шине положительного напряжения питания, а база и эмиттер транзистора n-р-n - к шине отрицательного напряжения питания, выходная шина УМ через резистор соединена с инвертирующим входом первого ОУ, согласно полезной модели дополнительно введен второй ОУ, инвертирующий вход которого соединен через резисторы с входной и выходной шинами УМ, неинвертирующий вход - с общей шиной, а выход подключен к выходной шине УМ через два последовательно соединенных резистора, между точкой соединения которых и общей шиной подключены последовательно соединенные первый и второй стабилитроны, причем первый стабилитрон включен в обратном, а второй - в прямом направлении.
Введение второго ОУ обеспечивает линейность передаточной характеристики УМ во всем диапазоне входных сигналов. Это происходит в следствие того, что при малом входном сигнале его усиление осуществляется этим ОУ, а за счет выбора параметров стабилитронов и резисторов его выходное напряжение ограничивается в тот момент, когда увеличивающийся входной сигнал начинает преодолевать зону
нечувствительности транзисторов третьего каскада УМ. Поскольку трехкаскадный УМ и второй ОУ охвачены глубокой отрицательной обратной связью, то коэффициенты усиления в областях малых и больших входных сигналов одинаковы, а в выходных сигналах отсутствуют искажения в тот момент, когда начинается ограничение выходного сигнала второго ОУ и входной сигнал начинает проходить через каскады УМ.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - электрическая схема бестрансформаторного транзисторного УМ; фиг.2 - передаточные характеристики заявленного бестрансформаторного транзисторного УМ и прототипа (пунктирная линия).
Бестрансформаторный транзисторный УМ (фиг.1) содержит первый (входной) каскад, выполненный на первом ОУ 5, второй каскад на первом 12 и втором 15 комплементарных транзисторах средней мощности, третий (оконечный) каскад на мощных третьем 24 и четвертом 25 комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», а также второй ОУ 6. В первом каскаде инвертирующий вход первого ОУ 5 через резистор 2 подключен к входной шине 1 УМ, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход подключен через резисторы 7, 8 к базам, соответственно, первого транзистора n-р-n 12 и второго транзистора р-n-р 15 второго каскада. Эмиттеры этих транзисторов через резисторы 13, 14 соединены друг с другом, через резистор 19 - с общей шиной и через резистор 22 - с выходной шиной 30, а их коллекторы соединены, соответственно, через резисторы 11 и 16 с базами, соответственно, третьего транзистора р-n-р 24 и четвертого транзистора n-р-n 25 третьего каскада. Коллекторы этих транзисторов объединены и соединены с выходной шиной 30 УМ, база и эмиттер третьего транзистора р-n-р 24 подключены, соответственно, через резисторы 10 и 23 к шине 28 положительного напряжения питания, а база и эмиттер четвертого транзистора n-р-n 25 подключены, соответственно, через резисторы 17 и 26 к шине 29 отрицательного напряжения питания. Выходная шина 30 УМ через резистор 4 соединена с инвертирующим входом первого ОУ 5. Инвертирующий вход второго ОУ 6 соединен через резистор 3 с входной шиной 1 и через резистор 9 - с выходной шиной 30 УМ, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной. Выход второго ОУ 6 подключен к выходной шине 30 УМ через два последовательно соединенных резистора 18 и 27, между точкой соединения которых и общей шиной подключены последовательно соединенные первый 20 и второй 21 стабилитроны, причем первый стабилитрон 20 включен в обратном, а второй
стабилитрон 21 - в прямом направлении. Нагрузкой УМ служит резистор 31, включенный между выходной шиной 30 и общей шиной.
Устройство работает следующим образом. Входной сигнал положительной или отрицательной полярности по шине 1 поступает через резистор 2 на инвертирующий вход первого ОУ 5 и через резистор 3 - на инвертирующий вход второго ОУ 6. Коэффициенты усиления каскадов на этих ОУ выбраны равными между собой. Для каскада на первом ОУ 5 коэффициент усиления определяется соотношением сопротивлений резисторов 2 и 4, а для каскада на втором ОУ 6 - соотношением сопротивлений резисторов 3 и 9. Выходные сигналы первого ОУ 5 через резисторы 7 и 8 поступают во второй каскад УМ на базы, соответственно первого 12 и второго 15 комплементарных транзисторов средней мощности, а выходные сигналы второго ОУ 6 через резисторы 18 и 27 - непосредственно на выходную шину 30 и выделяются на нагрузке 31. Рабочая точка первого транзистора 12 определяется соотношением сопротивлений резисторов 10 и 11, 13 и 14, 19 и 22, а рабочая точка второго транзистора 15 - соотношением сопротивлений резисторов 13 и 14, 16 и 17, 19 и 22. Выходной сигнал первого транзистора 12 через резистор 11 поступает в третий каскад на базу мощного третьего транзистора 24, а выходной сигнал второго транзистора 15 через резистор 16 - на базу мощного четвертого транзистора 25. Выходные сигналы этих транзисторов, а также выходной сигнал второго ОУ 6 поступают на выходную шину 30 и суммируются в нагрузке 31.
До тех пор, пока сигналы, поступающие на базы мощных третьего 24 и четвертого 25 транзисторов с выхода второго каскада, не преодолеют зоны нечувствительности вольтамперных характеристик «база-эмиттер» этих транзисторов (около 0,5 В), малый сигнал, поступивший на входную шину 1, через третий каскад УМ не проходит и на нагрузке 31 не выделяется. Поэтому малые сигналы усиливаются вторым ОУ 6 и через резисторы 18, 27 поступают в нагрузку 31. При этом напряжение с выхода ОУ 6 через резистор 18, который определяет ток стабилизации, ограничивается встречно включенными стабилитронами 20, 21. Напряжение стабилизации этих стабилитронов и соотношение сопротивлений резистора 27 и нагрузки 31 выбраны так, что напряжение, поступающее на нагрузку через второй ОУ 6, ограничивается на уровне, равном зоне нечувствительности вольтамперной характеристики мощных транзисторов третьего каскада УМ (т.е. около 0,5 В). При увеличении на шине 1 уровня входного сигнала включаются в работу каскады УМ и выходные сигналы
мощных транзисторов 24, 26 поступают в нагрузку 31, где суммируются с ограниченным стабилитронами 20, 21 сигналом с выхода второго ОУ 6.
Поскольку схема основного трехкаскадного канала усиления и схема второго ОУ 6 охвачены глубокой отрицательной обратной связью, соответственно, через резисторы 4 и 9, то передаточная характеристика УМ (фиг.2) не имеет искажений в области перехода от начала ограничения малых к началу прохождения больших сигналов в нагрузку 31 через мощные выходные транзисторы 24, 25. Таким образом, передаточная характеристика заявленного бестрансформаторного транзисторного УМ в отличие от известных схем имеет линейный характер, что позволяет без искажений усиливать как малые, так и большие входные сигналы. Благодаря этому, функциональные возможности устройства расширяются.