Двухтактный усилитель тока

Двухтактный усилитель тока

Реферат

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться как мощный выходной каскад в составе усилителей низкой частоты, постоянного тока, видеоусилителей, в различных преобразователях, в измерительной аппаратуре, в выходных или предвыходных каскадах радиопередающих устройств в диапазоне до 10 МГц. Сущность изобретения состоит в использовании операционных усилителей как ключевых элементов для непосредственного управления одним из мощных выходных транзисторов и непосредственного контроля его тока в каждый момент времени в сочетании с применением дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения, гальванически развязанного с шиной массы, для независимого питания операционных усилителей, что определяет высокую термостабильность устройства и высоколинейный синтез тока выходной шины, пропорционального входному усиливаемому току. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано как мощный выходной каскад в составе усилителей низкой частоты, видеоусилителей, трансляторов кабельных сетей, в усилителях постоянного тока, в формирователях мощных двуполярных импульсов, а также в различных преобразователях постоянного тока (или напряжения) в переменный ток (или напряжение), в измерительной аппаратуре, в выходных или предвыходных каскадах радиопередающих устройств в диапазоне до 10 МГц.

Известны разнообразные схемотехнические решения, направленные на повышение линейности и термостабильности мощных каскадов усиления. Рассмотрим несколько устройств, в которых реализованы некоторые такие решения, представляющие собой основные способы борьбы с температурными эффектами, отрицательно сказывающимися на работе приборов и резко уменьшающими их надежность, а также способы линеаризации усилительных трактов и повышения верности передачи сигналов.

Известен ряд усилителей [1] с динамическим смещением транзисторов выходных каскадов (Super A "JVC", Non Switching "Pioneer", New Class A "Technics'"), предназначенных для использования в высококачественных звукоусилительных системах, схемотехника которых направлена на линеаризацию передачи сигнала при малых токах покоя и соответственно на повышение экономичности мощных усилительных трактов. Однако проведенные испытания вышеуказанных каскадов показали, что действие динамического смещения заметно ухудшает термостабильность тока покоя, не изменяя линейность усилителя в режиме номинальной мощности и не улучшая его КПД, одновременно требуя значительного усложнения схемы. Например, наиболее совершенное устройство - Super A - реализуется на 11 транзисторах.

Известен усилитель [2], также предназначенный для использования в высококачественных звукоусилительных системах, выходной каскад которого представляет собой последовательный трехкаскадный эмиттерный повторитель, выполненный по схеме форсированного рассасывания избыточных базовых зарядов, режим AB. Термостабилизация осуществляется термокомпенсационной цепью, рабочим элементом которой является биполярный транзистор, имеющий тепловой контакт с мощными выходными транзисторами. Схемное решение выходного каскада линеаризует работу предвыходного (управляемый генератор тока) и повышает линейность усилителя в целом, но имеет, как минимум, два недостатка. Первый проявляется во время изменения уровня громкости и определяется инерционностью термокомпенсационной цепи - при уменьшении амплитуды входного сигнала с номинального уровня на 10-15 (и выше) дБ резко возрастают гармонические и динамические искажения усилителя на время, пока остывает рабочий элемент термокомпенсационной цепи и восстанавливается ток смещения выходного каскада. Второй недостаток определяется повышенной инерционностью трехкаскадного эмиттерного повторителя и заключается в том, что устройство защиты мощных транзисторов от токовых перегрузок не всегда спасает биполярные приборы от вторичного пробоя, например, при коротком замыкании выхода усилителя в режиме большой мощности.

Известно устройство [3] , предназначенное для термостабилизации мощных биполярных приборов. Устройство может быть использовано в двухтактных выходных каскадах и состоит из схемы тока смещения и управляющего транзистора. Термостабилизация осуществляется следующим образом: управляющий электрод одного из мощных выходных транзисторов подключен к схеме тока смещения, а также к коллектору управляющего транзистора, куда ответвляется часть этого тока. Выходной транзистор схемы тока смещения, управляющий транзистор и соответствующий им мощный выходной транзистор имеют тепловой контакт. При разогреве увеличивается ток схемы смещения и ток через управляющий транзистор, при этом изменение тока через управляющий транзистор больше, чем изменение тока схемы смещения, что и вызывает уменьшение тока управляющего электрода мощного выходного транзистора. Недостатками данного устройства являются тепловая инерционность, неэкономичность в связи с повышением сквозного тока через схему смещения и управляющий транзистор в режиме термокомпенсации, а также усложнение настройки и конструкции при использовании в двухтактных каскадах.

Известно устройство [4], представляющее собой высоко-линейный усилитель с термостабилизацией. Его существенное отличие от вышерассмотренных устройств заключается в том, что контролируется непосредственно ток выходных транзисторов, а не их температура. Контроль осуществляется по падению напряжения на эмиттерных резисторах мощных транзисторов с помощью термокомпенсированных усилителей сигнала ошибки, включенных в цепь отрицательной обратной связи соответствующего выходного транзистора. Таким образом реализуется не только высокая термостабильность устройства, но и хорошая компенсация возникающих нелинейных искажений. Однако описанные достоинства достигаются усложнением схемы и применением большого количества дискретных компонентов, что является недостатком данного устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство [5], представленное в виде интегральной схемы с мощным выходом. Устройство можно разделить на 4 функциональных узла: входные операционные усилители с дифференциальными входами; транзисторы считывания; узел обработки тока транзисторов считывания; мощные выходные транзисторы. Рассмотрим работу устройства на примере одного из плеч. Ток выходного транзистора управляется током входного усилителя, его значение зависит только от значения тока, текущего через соответствующий транзистор считывания. Управляющие электроды транзистора считывания и мощного выходного транзистора соединены. Кроме того, эти транзисторы имеют тепловой контакт. При изменении тока через транзистор считывания в узле обработки формируется сигнал, который в качестве управляющего передается во входной усилитель по цепи местной отрицательной обратной связи. Таким образом осуществляется термостабилизация и компенсация нелинейности устройства.

Недостатком прототипа является косвенность контроля тока выходных транзисторов, которая, не ухудшая термостабилизацию, отрицательно сказывается на эффективности компенсации нелинейных искажений. Также можно отметить температурную инерционность и сложность конструкции, настройки и отбора пар транзисторов в случае, если усилитель изготавливается из дискретных компонентов.

Техническим результатом предлагаемого двухтактного усилителя тока являются повышенная надежность в эксплуатации за счет высокой термостабильности и особенностей схемотехнического решения, а также высокая точность и верность передачи сигнала за счет высокой линейности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее первый операционный усилитель, второй операционный усилитель, первый транзистор, первая силовая клемма которого подключена к силовой шине источника положительного напряжения питания, второй транзистор, вторая силовая клемма которого подключена к силовой шине источника отрицательного напряжения питания, дополнительно введены первый стабилизирующий резистор, включенный между выходом первого операционного усилителя и управляющим электродом первого транзистора, второй стабилизирующий резистор, включенный между выходом второго операционного усилителя и управляющим электродом второго транзистора, первый выравнивающий резистор, включенный между инверсным входом первого операционного усилителя и второй силовой клеммой первого транзистора, второй выравнивающий резистор, включенный между инверсным входом второго операционного усилителя и первой силовой клеммой второго транзистора, источник двуполярного постоянного напряжения, гальванически развязанный с шиной массы и подключенный к соответствующим выводам питания первого и второго операционных усилителей, цепь из последовательно соединенных первого генератора тока смещения, первого резистора смещения, второго резистора смещения и второго генератора тока смещения, вход которой подключен к положительному полюсу дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения, а выход - к отрицательному полюсу дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения, первый блокировочный диод, катод которого образует первую входную шину усилителя, а анод одновременно подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и выходу первого генератора тока смещения, второй блокировочный диод, анод которого образует вторую входную шину усилителя, а катод одновременно подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и входу второго генератора тока смещения, и цепь из последовательно соединенных первого резистора-датчика тока и второго резистора-датчика тока, включенную между второй силовой клемой первого транзистора и первой силовой клеммой второго транзистора, а средняя точка которой одновременно подключена к средней точке дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения и средней точке первого и второго резисторов смещения и образует выходную шину усилителя.

Предлагаемый двухтактный усилитель тока в структурной схеме отражен на фиг.1.

Предлагаемое устройство содержит первый транзистор 1, первая силовая клемма 2 которого подключена к силовой шине источника положительного напряжения питания, первый операционный усилитель 3, своим выходом 4 подключенный через первый стабилизирующий резистор 5 к управляющему электроду 6 первого транзистора 1, а инверсным входом 7 подключенный через первый выравнивающий резистор 8 ко второй силовой клемме 9 первого транзистора 1, второй транзистор 10, второй силовой клеммой 11 подключенный к силовой шине источника отрицательного напряжения питания, второй операционный усилитель 12, своим выходом 13 подключенный через второй стабилизирующий резистор 14 к управляющему электроду 15 второго транзистора 10, а инверсным входом 16 подключенный через второй выравнивающий резистор 17 к первой силовой клемме 18 второго транзистора 10, дополнительный источник двуполярного постоянного напряжения 19, гальванически развязанный с шиной массы и подключенный своими полюсами к соответствующим выводам питания 20, 21 и 22, 23 первого 3 и второго 12 операционных усилителей, цепь, состоящую из последовательно соединенных первого генератора тока смещения 24, первого резистора смещения 25, второго резистора смещения 26 и второго генератора тока смещения 27, подключенную входом к положительному полюсу дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения 19, а выходом - к отрицательному полюсу дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения 19, первый блокировочный диод 28, катод которого образует первую входную шину усилителя с клеммой 29, а анод одновременно подключен к неинвертирующему входу 30 первого операционного усилителя 3 и выходу первого генератора тока смещения 24, второй блокировочный диод 31, анод которого образует вторую входную шину усилителя с клеммой 32, а катод одновременно подключен к неинвертирующему входу 33 второго операционного усилителя 12 и входу второго генератора тока смещения 27, и цепь, состоящую из последовательно соединенных первого резистора-датчика тока 34 и второго резистора-датчика тока 35, подключенную входом ко второй силовой клемме 9 первого транзистора 1, выходом - к первой силовой клемме 18 второго транзистора 10, а средняя точка которой одновременно подключена к средней точке первого резистора смещения 25, второго резистора смещения 26, средней точке дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения 19 и образует выходную шину усилителя.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

При подаче питания от силового и дополнительного источников в верхнем плече первый генератор тока смещения 24 начнет вырабатывать некоторый стабильный ток, который создаст на первом резисторе смещения 25 соответствующее падение напряжения. При этом на входах 30, 7 первого операционного усилителя 3 возникнет дифференциальное напряжение, которое вызовет нарастающий управляющий сигнал на его выходе 4. Управляющий сигнал будет открывать первый транзистор 1 до тех пор, пока ток через него не вырастет до величины, достаточной для создания такого напряжения на первом датчике тока 34, при котором исчезнет активное дифференциальное напряжение на входах 30, 7 первого операционного усилителя 3. При этом управляющий сигнал на его выходе 4 зафиксирует ток через первый транзистор 1 и будет поддерживать его на неизменном уровне при отсутствии входного тока через первый блокировочный диод 28. Аналогичные процессы протекут в нижнем плече устройства.

Дрейф тока покоя первого 1 и второго 10 транзисторов весьма незначителен и зависит от свойств применяемых операционных усилителей, а также от стабильности первого 24 и второго 27 генераторов токов смещений.

Работа устройства в динамическом режиме представлена диаграммами токов и напряжений (фиг. 2) в некоторых характерных точках при входном двуполярном сигнале прямоугольной формы. В качестве транзисторов 1, 10 использовались полевые МДП-приборы, выход усилителя нагружался резистором с активным сопротивлением 1 Ом, усилитель снабжался входным преобразователем напряжение - ток, имеющим устройство для создания начального смещения диодов 28, 31. Напряжение силового источника питания сети 15 В, дополнительного источника - 12 В.

В промежутке времени t1-t2 входной усиливаемый ток действует на клемме 29, при этом нижнее плечо сохраняет неизменное состояние с заданным током покоя, а в верхнем плече протекают следующие процессы: ток через блокировочный диод 28 (фиг.2, а, интервал t1-t2) вызовет приращение напряжения на первом резисторе смещения 25 (фиг.2,b) интервал (t1-t2), что приведет к нарастанию управляющего напряжения на выходе 4 первого операционного усилителя 3 до такого уровня (фиг.2, с, интервал t1-t2), при котором ток первого транзистора 1 достигнет величины (фиг.2,d интервал t1-t2), необходимой для создания такого же падения напряжения на первом датчике тока 34 (фиг.2,e, интервал t1-t2), что и на первом резисторе смещения 25. Иначе напряжение на первом датчике тока 34 будет контролироваться первым операционным усилителем 3 и в зависимости от сигнала на первом резисторе смещения 25 устанавливаться на соответствующем уровне посредством управления током первого транзистора 1. В интервале времени t2-t3 аналогичные процессы пройдут в нижнем плече при неизменном состоянии верхнего. В результате ток выходной шины устройства (фиг. 2,f интервал t1-t3) будет представлять собой усиленный в K раз входной ток, где K - отношение номинального сопротивления первого резистора смещения 25 к номинальному сопротивлению первого датчика тока 34 и, соответственно, второго резистора смещения 26 ко второму датчику тока 35. На фиг. 2,g представлено выходное напряжение на указанной нагрузке в интервале времени t1-t3.

Технико-экономическим результатом предлагаемого двухтактного усилителя тока является повышение надежности и точности по сравнению с известными устройствами. Стендовые испытания модели без предварительного отбора элементов в режиме максимальной нагруженности показали, что в течение суток параметры усилителя не изменялись более чем на 5% от начальных значений, а перегрузки выходной шины по мощности не критичны и не требуют специальных быстродействующих устройств защиты, позволяя обойтись применением обычных инерционных плавких предохранителей. Вместе с тем усилитель не требует тщательного монтажа, экранирования, нечувствителен к внешним наводкам и выполняется из небольшого количества дискретных компонентов.

Список литературы 1. Tanaka S. New Biasing Circuit for Class B Operation. Journal of the Audio Engineering Society, vol. 29,1981, N 3, р.148-152.

2. Сухов Н. УМЗЧ высокой верности. Радио, 1989, N 6, с. 55-57, N 7, с. 57-61.

3. Усилитель c температурной компенсацией, патент США N 5177454, H 03 F 3/04.

4. Схема подачи смещения в усилителе мощности, патент Японии, N 4-76245, H 03 F 1/30, 1/32, 3/30.

5. Усилитель. EP 0346011 A2, заявка N 89305546.7, приоритет 02.06.89 (прототип).

Формула изобретения

Двухтактный усилитель тока, содержащий первый операционный усилитель, второй операционный усилитель, первый транзистор, первая силовая клемма которого подключена к силовой шине источника положительного напряжения питания, второй транзистор, вторая силовая клемма которого подключена к силовой шине источника отрицательного напряжения питания, отличающийся тем, что в усилитель дополнительно введены первый стабилизирующий резистор, включенный между выходом первого операционного усилителя и управляющим электродом первого транзистора, второй стабилизирующий резистор, включенный между выходом второго операционного усилителя и управляющим электродом второго транзистора, первый выравнивающий резистор, включенный между инверсным входом первого операционного усилителя и второй силовой клеммой первого транзистора, второй выравнивающий резистор, включенный между инверсным входом второго операционного усилителя и первой силовой клеммой второго транзистора, источник двуполярного постоянного напряжения, гальванически развязанный с шиной массы и подключенный к соответствующим выводам питания первого и второго операционных усилителей, цепь из последовательно соединенных первого генератора тока смещения, первого резистора смещения, второго резистора смещения и второго генератора тока смещения, вход которой подключен к положительному полюсу дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения, а выход - к отрицательному полюсу дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения, первый блокировочный диод, катод которого образует первую входную шину усилителя, а анод одновременно подключен к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и выходу первого генератора тока смещения, второй блокировочный диод, анод которого образует вторую входную шину усилителя, а катод одновременно подключен к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и входу второго генератора тока смещения, и цепь из последовательно соединенных первого резистора-датчика тока и второго резистора-датчика тока, включенную между второй силовой клеммой первого транзистора и первой силовой клеммой второго транзистора, а средняя точка которой одновременно подключена к средней точке дополнительного источника двуполярного постоянного напряжения и средней точке первого и второго резисторов смещения и образует выходную шину усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2