CN101777878A - 用于输出宽频带大电流的功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于输出宽频带大电流的功率放大器，包括：信号输入电路(100)，所述信号输入电路(100)的输入信号为电压小信号，用于对所述电压小信号进行滤波和幅值调整，将调整后的电压小信号输出给信号均衡电路200；所述信号均衡电路(200)，包括电阻元件和电容元件，所述信号均衡电路(200)对来自所述信号输入电路(100)的电压小信号的衰减特性进行调整，将经过调整的电压小信号输出至电压电流变换电路(300)；所述电压电流变换电路(300)，将来自所述信号均衡电路(200)的电压小信号放大成大电流信号输出。本发明能够放大低频到高达上百千赫兹频率的信号，并能输出几十安培大电流。

Description

用于输出宽频带大电流的功率放大器

技术领域

本发明涉及功率放大器技术领域，尤其涉及宽频带大电流输出功率放大器。

背景技术

功率放大器通常有两种模式：线性功率放大器、开关功率放大器。线性功率放大器的特点是线性度好、响应快、精度高、电磁兼容性好，但在大电流大功率方面存在很大难度。开关功率放大器由于效率高易做成大电流、大功率设备，但线性度、小信号噪音、响应速度，负载驱动能力方面存在很大难度。现有技术能实现低频带大电流输出，如输出电流30A左右，频率范围为5KHz以下的信号放大功能；现有技术亦能实现宽频带小电流的输出，如几十个毫安的信号输出。但要能放大低频到高达上百千赫兹频率的信号，并能输出几十安培大电流的功率放大器，现有技术无法满足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于输出宽频带大电流的功率放大器，包括：信号输入电路100，所述信号输入电路100的输入信号为电压小信号，用于对所述电压小信号进行滤波和幅值调整，将调整后的电压小信号输出给信号均衡电路200；所述信号均衡电路200，包括电阻元件和电容元件，所述信号均衡电路200对来自所述信号输入电路100的电压小信号的衰减特性进行调整，将经过调整的电压小信号输出至电压电流变换电路300；所述电压电流变换电路300，将来自所述信号均衡电路200的电压小信号放大成大电流信号输出。

在上述技术方案中，优选地，所述信号输入电路100包括电容电阻网络。

在上述技术方案中，优选地，所述信号均衡电路200包括电容电阻网络。

在上述技术方案中，优选地，所述电压电流变换电路300包括集成运算放大单元，所述集成运算放大单元包括集成运算放大器电路和共集电极三极管放大器电路。

在上述技术方案中，优选地，所述信号均衡电路200包括并联的多组电容电阻网络。

在上述技术方案中，优选地，所述电压电流变换电路300包括集成运算放大单元，所述集成运算放大单元包括并联的多组集成运算放大器电路和共集电极三极管放大器电路网络。

在上述技术方案中，优选地，所述信号输入电路100包括第1电容C1、第2电容C2和可调电阻R，所述第2电容C2并联在所述信号输入电路100的输入信号u_i的两端，所述第1电容C1与所述可调电阻R串联，串联后的电路再并联在所述输入信号u_i的两端，所述信号输入电路100的输出信号u_i1为所述可调电阻R上的电压信号。

在上述技术方案中，优选地，所述信号均衡电路包括第3电容C3、第13电容C13、第24电容C24、第49电阻R49，和第51电阻R51，所述第49电阻R49和所述第24电容C24并联，所述第51电阻R51和所述第13电容C13并联，所述第3电容C3与上述两个并联电路串联，输入信号u_i1加在整个串联后的电路上，而输出信号u_i1a为所述第51电阻R51上的电压，其中所述输入信号u_i1为来自信号输入电路的输出电压信号，所述输出信号u_i1a为信号均衡电路的输出信号。

在上述技术方案中，优选地，所述集成运算放大电路包括所述集成运算放大器U1、第4电容C4、第5电容C5、第6电容C6、第1电阻R1、第2电阻R2、第3电阻R3、第4电阻R4、第13电阻R13、第45电阻R45、第46电阻R46，和第50电阻R50，输入电压u_i1a接所述第1电阻R1的一端，所述第1电阻R1的另一端接所述集成运算放大器U1的同相输入端，所述第2电阻R2一端接所述集成运算放大器U1的同相输入端，所述第2电阻R2的另一端接所述第13电阻R13的一端，所述第13电阻R13的另一端接所述第45电阻R45的一端，所述第45电阻R45的另一端接所述集成运算放大器U1的输出端u_o1a，所述第4电阻R4的一端接所述集成运算放大器U1的反相输入端，所述第4电阻R4的另一端接地，所述第50电阻R50和所述第5电容C5并联，并联后再与所述第4电容C4串联，串联后的电路再与所述第3电阻R3并联，所述第3电阻R3的一端接所述集成运算放大器U1的反相输入端，所述第3电阻R3的另一端连接在所述第45电阻R45和所述第13电阻R13之间，所述第6电容C6的一端接所述第2电阻，所述第6电容C6的另一端接所述第46电阻R46，所述第46电阻R46的一端接所述第6电容C6，所述第46电阻R46的另一端接地。

在上述技术方案中，优选地，所述共集电极三极管放大器电路包括第1三极管Q1、第2三极管Q2、第3三极管Q3、第4三极管Q4、第5三极管Q5、第6三极管Q6、第7三极管Q7、第8三极管Q8、第9三极管Q9、第10三极管Q10、第11三极管Q11、第12三极管Q12、第1二极管D1、第2二极管D2、第3二极管D3、第4二极管D4、第5二极管D5、第6二极管D6、第5电阻R5、第6电阻R6、第7电阻R7、第8电阻R8、第9电阻R9、第10电阻R10、第11电阻R11、第12电阻R12、第14电阻R14、第15电阻R15、第18电阻R18、第19电阻R19、第20电阻R20、第21电阻R21、第22电阻R22、第23电阻R23，所述第1二极管D1、所述第2二极管D2、所述第3二极管D3、所述第4二极管D4、所述第5二极管D5和所述第6二极管D6串联连接，输入信号u_o1a连接至串联连接的二极管(D1-D6)的中点D3阴极，所述第1二极管D1的阳极接所述第11三极管Q11的基极，所述第7电阻R7的一端接所述第11三极管Q11的基极，所述第7电阻(R7)的另一端接所述第12三极管Q12的集电极，所述第5电阻R5的一端接正电源VCC2，所述第5电阻R5的另一端接所述第11三极管Q11的集电极，第11三极管Q11的发射极与所述第12三极管Q12的基极相连，所述第9电阻R9的一端接所述正电源VCC2，所述第9电阻R9的另一端接所述第12三极管Q12的集电极，所述第12三极管Q12的发射极与所述第1三级管Q1、所述第2三级管Q2、所述第3三级管Q3、所述第4三级管Q4的基极相连，所述第1三级管Q1、所述第2三级管Q2、所述第3三级管Q3、所述第4三级管Q4的集电极接所述正电源VCC2，所述第15电阻R15的一端与所述第12三极管Q12的发射极相连，所述第15电阻R15的另一端接输出信号u_o2a，所述第11电阻R11的一端接所述第1三极管Q1的发射极，所述第11电阻R11的另一端接所述输出信号u_o2a，所述第18电阻R18的一端接所述第2三极管Q2的发射极，所述第18电阻R18的另一端接所述输出信号u_o2a，所述第20电阻R20的一端接所述第3三极管Q3的发射极，所述第20电阻R20的另一端接所述输出信号u_o2a，所述第22电阻R22的一端接所述第4三极管Q4的发射极，所述第22电阻R22的另一端接所述输出信号u_o2a，所述第4二极管D4、所述第5二极管D5和所述第6二极管D6串联，所述第6二极管D6的负极接所述第9三极管Q9的基极，所述第8电阻R8的一端接所述第9三极管Q9的基极，另一端接所述第10三极管Q10的集电极，所述第6电阻R6的一端接负电源VEE2，所述第6电阻R6的另一端接所述第9三极管Q9的集电极，所述第9三极管Q9的发射极与所述第10三极管Q10的基极相连，所述第10电阻R10的一端接负电源VEE2，所述第10电阻R10的另一端接第10三极管Q10的集电极，所述第10三极管Q10的发射极与所述第5三级管Q5、所述第6三级管Q6、所述第7三级管Q7和所述第8三级管Q8的基极相连，所述第14电阻R14的一端与所述第10三极管Q10的发射极相连，所述第14电阻R14的另一端接所述输出信号u_o2a，所述第12电阻R12的一端接三极管Q5的发射极，所述第12电阻R12的另一端接输出信号u_o2a，所述第19电阻R19的一端接所述第6三极管Q6的发射极，所述第19电阻R19的另一端接所述输出信号u_o2a，所述第21电阻R21的一端接所述第7三极管Q7的发射极，所述第21电阻R21的另一端接所述信号u_o2a，所述第23电阻R23的一端接所述第8三极管Q8的发射极，所述第23电阻R23的另一端接所述输出信号u_o2a。

本发明还提供了一种宽频带大电流输出的功率放大器，包括：信号输入电路100，输入信号为电压小信号，该电路对输入电压信号进行滤波和幅值调整，并将处理后的电压小信号输出给信号均衡电路200；信号均衡电路200，信号均衡电路由电阻电容元件组成，可调整不同频率信号的衰减特性，输入为信号输入电路输出的电压小信号，输出至电压电流变换电路300；电压电流变换电路300，将信号均衡电路200输出的电压小信号放大成大电流信号输出，该电路由集成运算放大器和共集电极放大器组成。信号输入电路100为电容电阻网络，其输出为可调电阻器上的输出。信号均衡电路200为电阻电容网络，可调整不同频率信号的衰减特性。电压电流变换电路300由集成运算放大器和共集电极放大器以及相应的电阻和电容元件组成，实现电压小信号输入，电流信号输出，并实现大电流输出。信号均衡电路200可由多组组成，组数的选择根据需要输出的电流和需要放大的频带来选择。电压电流变换电路300也可由多组组成，组数的选择根据需要输出的电流和需要放大的频带以及集成运算放大器和共集电极放大器的特性如频率特性和输出电压以及输出电流等来选择。

根据上述技术方案，能够放大低频到高达上百千赫兹频率的信号，并能输出几十安培大电流。

附图说明

图1是根据本发明的原理图；

图2是图1中示出的信号输入电路100的电路图；

图3是图1中示出的信号均衡电路200的电路图；

图4是集成运算放大器电路图；

图5是共集电极放大器电路图；

图6是图1中示出的电压电流变换电路300的电路图。

具体实施方式

图1为宽频大电流功率放大器原理。所述放大器由信号输入电路、信号均衡电路，电压电流变换电路组成。所述放大器的输入为电压信号，输出为大电流信号。

图2为信号输入电路，其中u_i为输入电压信号，u_i1为信号输入电路的输出信号，C1和C2为电容，R为可调电阻。电容C2并联在输入信号u_i两端，电容C1与可调电阻R串联，串联后的电路再并联在输入信号u_i两端，输出信号u_i1为可调电阻R上的电压信号。输入电压信号u_i和输出信号u_i1共地。

图3为信号均衡电路，其中u_i1为来自信号输入电路的输出电压信号，u_i1a为信号均衡电路的输出信号，C3、C13和C24为电容，R49和R51为电阻。电阻R49和电容C24并联，电阻R51和电容C13并联，电容C3与上述两个并联电路串联，输入信号u_i1加在整个串联后的电路上，而输出信号u_i1a为电阻R51上的电压。输入信号u_i1和输出信号u_i1a共地。

图4为集成运放电路，其中U1为集成运算放大器，u_i1a为来自信号均衡电路的输入电压信号，u_o1a为集成运算放大器的输出端电压信号，C4、C5和C6为电容，R1、R2、R3、R4、R13、R45、R46和R50为电阻。输入电压u_i1a接电阻R1一端，电阻R1另一端接运算放大器U1同相输入端。电阻R2一端接运算放大器U1同相输入端，另一端接电阻R13的一端，并记该点电压为u_o3a。电阻R13的一端接u_o3a，另一端接电阻R45的一端，并记该点电压为u_o2a。电阻R45的另一端接运算放大器的输出端u_o1a。电阻R4的一端接运算放大器U1反相输入端，另一端接地。电阻R50和电容C5并联，并联后再与电容C4串联，串联后的电路再与电阻R3并联。电阻R3一端接运算放大器U1反相输入端，另一端接u_o2a。电容C6的一端接u_o3a，另一端接电阻R46。电阻R46一端接电容C6，另一端接地。

图5为共集放大器电路，其中u_o1a为来自集成运算放大器的输出信号，Q1-Q12为三极管，D1-D6为二极管，R5-R12，R14、R15、R18-R23为电阻。输入信号u_o1a接串联二极管D1-D6中点D3阴极，二极管D1、D2和D3串联，D1的阳极接三极管Q11的基极。电阻R7的一端接三极管Q11的基极，另一端接三极管Q12的集电极。电阻R5一端接正电源VCC2，另一端接三极管Q11的集电极。三极管Q11的发射极与三极管Q12的基极相连。电阻R9一端接正电源VCC2，另一端接三极管Q12的集电极。三极管Q12的发射极与三级管Q1-Q4的基极相连。三级管Q1-Q4的集电极接正电源VCC2。R15一端与Q12发射极相连，另一端接u_o2a，电阻R11的一端接三极管Q1的发射极，另一端接u_o2a。电阻R18的一端接三极管Q2的发射极，另一端接u_o2a。电阻R20的一端接三极管Q3的发射极，另一端接u_o2a。电阻R22的一端接三极管Q4的发射极，另一端接u_o2a。

二极管D4、D5和D6串联，D6的阴极接三极管Q9的基极。电阻R8的一端接三极管Q9的基极，另一端接三极管Q10的集电极。电阻R6一端接负电源VEE2，另一端接三极管Q9的集电极。三极管Q9的发射极与三极管Q10的基极相连。电阻R10一端接负电源VEE2，另一端接三极管Q10的集电极。三极管Q10的发射极与三级管Q5-Q8的基极相连。R14的一端与Q10发射极相连，另一端接u_o2a，电阻R12的一端接三极管Q5的发射极，另一端接u_o2a。电阻R19的一端接三极管Q6的发射极，另一端接u_o2a。电阻R21的一端接三极管Q7的发射极，另一端接u_o2a。电阻R23的一端接三极管Q8的发射极，另一端接u_o2a。

图6为整机电路，为集成运算放大电路与共集放大器电路通过u_o1a和u_o2a相连后组成。其工作原理：当R1＝R2＝R3＝R4，并选择合适的C5、C4和R50，可得u_i1a＝u_o2a-u_o3a。选择合适的R13可得期望的电流。C6和R46组成的电路起消除末级杂波的作用。共集电极放大器的作用为放大电流。由于运算放大器的输出电流较小无法满足大电流输出的需要，在u_o1a和u_o2a之间接入共集电极放大器，因此电阻R13的电流由共集电极放大器提供。根据期望的输出电流和选用的共集电极放大器的特性，确定电阻R13，从而获得期望的电流输出。

由于现有三极管和运算放大器的特性限制，不能由单管提供期望的高达上百千赫兹，上百安培的功率信号输出，本发明实现了并联使用上述电路的方法实现所期望的大电流输出电路。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于输出宽频带大电流的功率放大器，其特征在于，包括：

信号输入电路(100)，所述信号输入电路(100)的输入信号为电压小信号，用于对所述电压小信号进行滤波和幅值调整，将调整后的电压小信号输出给信号均衡电路(200)；

所述信号均衡电路(200)，包括电阻元件和电容元件，所述信号均衡电路(200)对来自所述信号输入电路(100)的电压小信号的衰减特性进行调整，将经过调整的电压小信号输出至电压电流变换电路(300)；

所述电压电流变换电路(300)，将来自所述信号均衡电路(200)的电压小信号放大成大电流信号输出。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述信号输入电路(100)包括电容电阻网络。

3.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述信号均衡电路(200)包括电容电阻网络。

4.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述电压电流变换电路(300)包括集成运算放大单元，所述集成运算放大单元包括集成运算放大器电路和共集电极三极管放大器电路。

5.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述信号均衡电路(200)包括并联的多组电容电阻网络。

6.根据权利要求1、2、3和5中任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述电压电流变换电路(300)包括集成运算放大单元，所述集成运算放大单元包括并联的多组集成运算放大器电路和共集电极三极管放大器电路网络。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述信号输入电路(100)包括第1电容(C1)、第2电容(C2)和可调电阻(R)，所述第2电容(C2)并联在所述信号输入电路(100)的输入信号(u_i)的两端，所述第1电容(C1)与所述可调电阻(R)串联，串联后的电路再并联在所述输入信号(u_i)的两端，所述信号输入电路(100)的输出信号(u_i1)为所述可调电阻(R)上的电压信号。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的功率放大器，其特征在于，所述信号均衡电路包括第3电容(C3)、第13电容(C13)、第24电容(C24)、第49电阻(R49)，和第51电阻(R51)，所述第49电阻(R49)和所述第24电容(C24)并联，所述第51电阻(R51)和所述第13电容(C13)并联，所述第3电容(C3)与上述两个并联电路串联，输入信号u_i1加在整个串联后的电路上，而输出信号u_i1a为所述第51电阻(R51)上的电压，其中所述输入信号u_i1为来自信号输入电路的输出电压信号，所述输出信号u_i1a为信号均衡电路的输出信号。

9.根据权利要求4或6所述的功率放大器，其特征在于，所述集成运算放大电路包括所述集成运算放大器(U1)、第4电容(C4)、第5电容(C5)、第6电容(C6)、第1电阻(R1)、第2电阻(R2)、第3电阻(R3)、第4电阻(R4)、第13电阻(R13)、第45电阻(R45)、第46电阻(R46)，和第50电阻(R50)，输入电压(u_i1a)接所述第1电阻(R1)的一端，所述第1电阻(R1)的另一端接所述集成运算放大器(U1)的同相输入端，所述第2电阻(R2)一端接所述集成运算放大器(U1)的同相输入端，所述第2电阻(R2)的另一端接所述第13电阻(R13)的一端，所述第13电阻(R13)的另一端接所述第45电阻(R45)的一端，所述第45电阻(R45)的另一端接所述集成运算放大器(U1)的输出端(u_o1a)，所述第4电阻(R4)的一端接所述集成运算放大器(U1)的反相输入端，所述第4电阻(R4)的另一端接地，所述第50电阻(R50)和所述第5电容(C5)并联，并联后再与所述第4电容(C4)串联，串联后的电路再与所述第3电阻(R3)并联，所述第3电阻(R3)的一端接所述集成运算放大器(U1)的反相输入端，所述第3电阻(R3)的另一端连接在所述第45电阻(R45)和所述第13电阻(R13)之间，所述第6电容(C6)的一端接所述第2电阻，所述第6电容(C6)的另一端接所述第46电阻(R46)，所述第46电阻(R46)的一端接所述第6电容(C6)，所述第46电阻(R46)的另一端接地。

10.根据权利要求4或6所述的功率放大器，其特征在于，所述共集电极三极管放大器电路包括第1三极管(Q1)、第2三极管(Q2)、第3三极管(Q3)、第4三极管(Q4)、第5三极管(Q5)、第6三极管(Q6)、第7三极管(Q7)、第8三极管(Q8)、第9三极管(Q9)、第10三极管(Q10)、第11三极管(Q11)、第12三极管(Q12)、第1二极管(D1)、第2二极管(D2)、第3二极管(D3)、第4二极管(D4)、第5二极管(D5)、第6二极管(D6)、第5电阻(R5)、第6电阻(R6)、第7电阻(R7)、第8电阻(R8)、第9电阻(R9)、第10电阻(R10)、第11电阻(R11)、第12电阻(R12)、第14电阻(R14)、第15电阻(R15)、第18电阻(R18)、第19电阻(R19)、第20电阻(R20)、第21电阻(R21)、第22电阻(R22)、第23电阻(R23)，所述第1二极管(D1)、所述第2二极管(D2)、所述第3二极管(D3)、所述第4二极管(D4)、所述第5二极管(D5)和所述第6二极管(D6)串联连接，输入信号(u_o1a)连接至串联连接的二极管(D1D6)的中点D3阴极，所述第1二极管(D1)的阳极接所述第11三极管(Q11)的基极，所述第7电阻(R7)的一端接所述第11三极管(Q11)的基极，所述第7电阻(R7)的另一端接所述第12三极管(Q12)的集电极，所述第5电阻(R5)的一端接正电源(VCC2)，所述第5电阻(R5)的另一端接所述第11三极管(Q11)的集电极，第11三极管(Q11)的发射极与所述第12三极管(Q12)的基极相连，所述第9电阻(R9)的一端接所述正电源(VCC2)，所述第9电阻(R9)的另一端接所述第12三极管(Q12)的集电极，所述第12三极管(Q12)的发射极与所述第1三级管(Q1)、所述第2三级管(Q2)、所述第3三级管(Q3)、所述第4三级管(Q4)的基极相连，所述第1三级管(Q1)、所述第2三级管(Q2)、所述第3三级管(Q3)、所述第4三级管(Q4)的集电极接所述正电源(VCC2)，所述第15电阻(R15)的一端与所述第12三极管(Q12)的发射极相连，所述第15电阻(R15)的另一端接输出信号(u_o2a)，所述第11电阻(R11)的一端接所述第1三极管(Q1)的发射极，所述第11电阻(R11)的另一端接所述输出信号(u_o2a)，所述第18电阻(R18)的一端接所述第2三极管(Q2)的发射极，所述第18电阻(R18)的另一端接所述输出信号(u_o2a)，所述第20电阻(R20)的一端接所述第3三极管(Q3)的发射极，所述第20电阻(R20)的另一端接所述输出信号(u_o2a)，所述第22电阻(R22)的一端接所述第4三极管(Q4)的发射极，所述第22电阻(R22)的另一端接所述输出信号(u_o2a)，所述第4二极管(D4)、所述第5二极管(D5)和所述第6二极管(D6)串联，所述第6二极管(D6)的负极接所述第9三极管(Q9)的基极，所述第8电阻(R8)的一端接所述第9三极管(Q9)的基极，另一端接所述第10三极管(Q10)的集电极，所述第6电阻(R6)的一端接负电源(VEE2)，所述第6电阻(R6)的另一端接所述第9三极管(Q9)的集电极，所述第9三极管(Q9)的发射极与所述第10三极管(Q10)的基极相连，所述第10电阻(R10)的一端接负电源(VEE2)，所述第10电阻(R10)的另一端接第10三极管(Q10)的集电极，所述第10三极管(Q10)的发射极与所述第5三级管(Q5)、所述第6三级管(Q6)、所述第7三级管(Q7)和所述第8三级管(Q8)的基极相连，所述第14电阻(R14)的一端与所述第10三极管(Q10)的发射极相连，所述第14电阻(R14)的另一端接所述输出信号(u_o2a)，所述第12电阻(R12)的一端接三极管Q5的发射极，所述第12电阻(R12)的另一端接输出信号(u_o2a)，所述第19电阻(R19)的一端接所述第6三极管(Q6)的发射极，所述第19电阻(R19)的另一端接所述输出信号(u_o2a)，所述第21电阻(R21)的一端接所述第7三极管(Q7)的发射极，所述第21电阻(R21)的另一端接所述信号(u_o2a)，所述第23电阻(R23)的一端接所述第8三极管(Q8)的发射极，所述第23电阻(R23)的另一端接所述输出信号(u_o2a)。

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