CN1913345B - 带有变压器负反馈的推挽放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于放大可变电信号(S1)的带有变压器负反馈的推挽放大器。其具有：信号输入端(1)和信号输出端(2)，与该信号输入端(1)和信号输出端(2)连接的变压器负反馈装置(100)，以及放大器电路(200)。该放大器电路(200)包括输入端(201)和输出端(202)，以及第一晶体管(210)和第二晶体管(220)。其中，所述放大器电路(200)的输入端(201)与所述信号输入端(1)以及所述放大器电路(200)的输出端(202)与所述信号输出端(2)通过所述变压器负反馈装置(100)连接。

Description

带有变压器负反馈的推挽放大器

技术领域

本发明涉及一种用于放大可变电信号的带有变压器负反馈的推挽放大器。

背景技术

为了放大可变电信号一般采用带有双极型晶体管的放大电路。其中，晶体管根据不同的布线用作受控的电流或电压源，不过它们的输入和输出端均不匹配。为了能够将这种放大电路在用于例如15MHz至300MHz的相对大的带宽的HF(高频)信号的放大器中使用，必须将其按照使得的方式进行扩展。这种HF信号例如用在MR(磁共振)成像系统中，特别是在例如核自旋断层造影的医疗成像中。放大电路的扩展尤其可以利用负反馈装置进行，利用后者可以将放大器的输入阻抗和输出阻抗这样地进行匹配，使得在放大器输出端上连接的阻抗在放大器输入端上按照相同或者预定标度的大小出现。在理想情况下负反馈甚至确定了放大，使得放大器独立于所使用的晶体管的样本杂散而工作。由此，还在整个带宽上实现了放大器的恒定的放大系数，其中，将特别是由于晶体管造成的非线性失真保持得很小。

在“Bereitbandige Ferrit-Hochfrequenztrasformatoren”(J.V.Parpart，Huethig Verlag 1997，S.122-126)给出了这种按照带有变压器负反馈的发射极电路的放大器。在此，变压器负反馈借助于定向耦合器-变压器(Uebertrager)实现。发射极电路与一npn晶体管这样连接，使得后者工作在单端A运行方式下。但是，对于失真小的放大需要极其高的静止电流。

在“Bereitbandige Ferrit-Hochfrequenztrasformatoren”(J.V.Parpart，Huethig Verlag 1997，S.130-133)还给出了一种带有变压器负反馈的推挽放大器。其中，为上面提到的带有变压器负反馈的发射极电路对称地补充同样的带有变压器负反馈的发射极电路。在此，信号输入端和信号输出端分别通过一个作为一侧带有中央抽头的变压器实施的对称装置与两个对称设置的带有变压器负反馈的发射极电路连接。这种放大器类型与上面提到的相比具有这样的优点，即，其在较小的电流吸收下具有明显更小的失真。不过，由于带有四个高频变压器的结构，其导致高的技术花费。也就是说，每个高频变压器作为高频电路的部件带来了固有的缺点，例如有限的带宽、损耗以及位置需求，在实现放大器中必须考虑到对它们的补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种带有变压器负反馈的推挽放大器，其以比现有技术更小的技术花费构成。

按照本发明的推挽放大器涉及一种用于放大可变化电信号的带有变压器负反馈的推挽放大器，具有：

-信号输入端和信号输出端，

-与该信号输入端和信号输出端连接的变压器负反馈装置，以及

-放大器电路，包括

-输入端和输出端，以及

-第一晶体管和第二晶体管，

其中，

-放大器电路的输入端与信号输入端以及

-放大器电路的输出端与信号输出端

通过变压器负反馈装置连接。

通过将放大器利用由两个适当的晶体管构成的推挽放大器来实现，并且将该推挽放大器通过仅仅一个变压器负反馈装置与信号输入端和输出端连接，使得与此相关的优点尤其在于减小了在放大器中连接的变压器的数量。

特别优选的是，变压器负反馈装置作为定向耦合器-变压器(Uebertrager)构成，其具有带有各自初级和次级线圈的输入和输出变压器。其中，放大器电路的输入端通过输入变压器的初级线圈与信号输入端连接，并且通过输出变压器的次级线圈至少为待放大的可变化电信号与参考电位、特别是地电平连接。此外，放大器电路的输出端通过输出变压器的初级线圈与信号输出端连接，并且通过输入变压器的次级线圈至少为待放大的可变化电信号与参考电位、特别是地电平连接。利用这种负反馈网络，放大器电路的输入阻抗与输出端上连接的阻抗相同或者比例变换相同。

优选的是，两个分别具有集电极、基极和发射极的晶体管基极端与放大器输入端连接，而集电极端与放大器输出端连接。其中，第一晶体管的基极和发射极与第一电源端点连接，而第二晶体管的基极和发射极与第二电源端点连接。如果特别是采用了分别不同的晶体管类型，即一个npn晶体管和一个pnp晶体管，则两个晶体管的这种布线提供了一种实现简单并且对于其使用目的来说工作足够迅速和有效的推挽放大器装置。在此，在电源端点上连接的电压源尤其提供了一个关于参考电位对称的电压。例如，如果该参考电位是地电平，则优选在第一电源端点上施加例如+5V的正电压，而在第二电源端点上施加例如-5V的负电压。由此，不必在定向耦合器-变压器的次级线圈上施加为放大器电路供电的电压。由此，放大器电路直接通过电源端点得到电压供给。

此外，优选的是，分别在基极与对应的电源端点之间设置至少一个电阻。优选的还有，分别在发射极与对应的电源端点之间设置至少一个电阻，其中，这些发射极分别通过至少一个电容与参考电位(特别是地电平)连接。这样所连接的电阻用于为晶体管优选地确定静态电流。在发射极上通过电容晶体管对于变化的电信号来说参考参考电位(特别是地电平)。

在此，优选地设置至少一个可调电阻、特别是微调电阻。如果例如两个晶体管的特征线相互不对应，则可以事后借助于该至少一个可调电阻使得静态电流匹配。由此为了达到尽可能最小的失真而选择最佳的工作点。

有优势的是，在每个晶体管的基极与放大器电路的输入端之间分别设置至少一个电容，并且两个基极通过至少一个电阻相互连接。由此，可以将可变化的电信号直接传递至两个基极上，并且通过定向耦合器-变压器实现交流电压负反馈。在此，与晶体管的针对直流电压的工作点相关，两个集电极通过输入变压器的次级线圈位于参考电位(特别是地电平)上。

有优势的还有，在每个晶体管的基极与放大器电路的输入端之间分别设置一个由至少一个电容和至少一个电阻组成的并联电路。此外，在输入变压器的初级线圈和信号输入端之间、在输出变压器的初级线圈和信号输出端之间设置、以及在次级线圈与参考电位之间分别设置至少一个电容。由此，可以除了交流电压负反馈之外还通过定向耦合器-变压器实现直流电压负反馈。如果放大器要在一个非常大的温度范围内按照尽可能相同的特性工作，则这点是特别优选的。在此，两个并联电路的两个电阻的阻值是这样选择的，使得通过两个晶体管的静态电流基本上相同。其中，在理想的情况下两个集电极处于参考电位(特别是地电平)上。

优选地，推挽放大器用于10kHz和更高、特别是直到10GHz的频率。较为有利地，可变化的电信号是高频信号。在此，频率范围从10kHz直延伸到10GHz。

优选的是，第一晶体管是pnp晶体管，而第二晶体管是npn晶体管。由此，可以放弃对称装置、例如对称变压器，该对称变压器通常不是失真小的并且造价高和体积大。

特别优选的是，将两个晶体管实施为互补型pnp和npn晶体管对。通过该互补的实施方式例如简化了两个晶体管静态电流的匹配。这样，在理想情况下可以将放大器电路中影响静态电流的电阻的阻值为两个晶体管选择为相同大小。此外，放大器由于互补的实施方式具有一个高的调节范围。

优选地，将定向耦合器-变压器的输入和/或输出变压器分别利用环形磁心实施，该环形磁心在同时较低电容耦合的条件下允许初级线圈和次级线圈的良好的磁耦合。

同样优选地，将定向耦合器-变压器的输入和/或输出变压器利用共同的双穿孔磁心(Doppellochkem)实施，该双穿孔磁心在同时较低电容耦合的条件下允许初级线圈和次级线圈的良好的磁耦合。此外，在共同磁心上的输入和输出变压器的结构还是节省空间的。

有优势地，输入变压器的匝数比n对应于输出变压器的匝数比m。在此，匝数比n是通过输入变压器的次级线圈和初级线圈的匝数的比值给出的，而匝数比m是通过输出变压器的次级线圈和初级线圈的匝数的比值给出的。在此，如果次级线圈的匝数分别大于初级线圈的对应匝数，则在信号输入端上馈入的功率通过定向耦合器-变压器在输出端上放大地给出。在此，功率放大的绝对值是由定向耦合器-变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比的平方给出。

同样有优势地，输入变压器的匝数比n不同于输出变压器的匝数比m。在此，如果次级线圈的匝数分别大于初级线圈的对应匝数，则在信号输入端上馈入的功率通过定向耦合器-变压器在信号输出端上放大地给出。在此，功率放大的绝对值是由定向耦合器-变压器的次级线圈与初级线圈的各个匝数比的乘积给出。考虑到在定向耦合器-变压器中的不同匝数比给出了另一个自由度，用于将本发明的推挽放大器的输入阻抗参考其输出阻抗进行匹配。

优选地，推挽放大器是作为磁共振成像系统的HF放大器电子电路的一部分设置的。恰恰在MR成像系统中在一个例如从15MHz至300MHz的相对大的带宽上，尽可能无失真地由本发明的推挽放大器提供对HF信号、特别是图像信号的放大。此外，对于在MR成像系统中的应用按照发明的推挽放大器优选地表现为，其可以特别节省能量和空间地构成。

附图说明

下面对照附图对装置的优选的、但决不是用于限制的实施方式进一步地进行说明。为了说明将附图实施为电路图并且示意地示出了一定的特征。具体地，图中：

图1表示带有交流电压负反馈的推挽放大器，

图2表示带有交流电压和直流电压负反馈的推挽放大器。

相对应的部件在图1和2中标有相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出了一个带有交流电压负反馈的推挽放大器。在此，该推挽放大器具有信号输入端1、信号输出端2、变压器负反馈装置100以及放大器电路200。信号输入端1和信号输出端2通过实施为所谓定向耦合器-变压器的变压器负反馈装置100与放大器电路200连接。

定向耦合器-变压器100由一个带有初级线圈111和次级线圈112的输入变压器110以及一个带有初级线圈121和次级线圈122的输出变压器120构成，其中，输入变压器110与输出变压器120按照适当的方式相互连接。在此，输入变压器110的初级绕组111通过节点101与输出变压器120的次级绕组122连接，而输出变压器120的初级绕组121通过另一个节点102与输入变压器110的次级绕组112连接。此外，次级绕组112和122在其另一端通过第三节点103相互连接，该第三节点处于参考电位P、特别是地电平上。在其中馈入变化的电信号S1、特别是在从10kHz至10GHz的频率范围中的高频信号的信号输入端1与输入变压器110的初级线圈111连接，并且由此通过该初级线圈与节点101连接。将推挽放大器放大的输入信号S1作为输出信号S2提供的信号输出端2，则与输出变压器120的初级绕组121连接，并且由此通过后者与节点102连接。

放大器电路200与定向耦合器-变压器100的连接通过放大器电路200的输入端201和输出端202实现，其中，将输入端201连接在节点101上，而将输出端202连接在节点102上。放大器电路200具有第一晶体管210和第二晶体管220，其中，尤其将两个晶体管210、220实施为互补的pnp和npn晶体管对210、220。优选地，为了节省空间并且改善热耦合，将该晶体管对210、220作为集成的部件构成。晶体管210、220分别具有集电极211、221，基极212、222以及发射极213、223。在此，集电极211、221相互共同连接在放大器电路200的输出端202上，而基极212、222分别通过电容251、252连接在放大器电路200的输入端201上。

为了向放大器电路200供电，设置了两个电源端点231和232，它们施加有关于参考电位P对称的直流电压+U和-U。如果例如参考电位P等于地电平即0V，则典型地电源端点231处于+5V，而电源端点232处于-5V。

pnp晶体管210的基极212和发射极213分别通过对应的电阻241和243连接在电源端点231上。与此对称地，npn晶体管220的基极222和发射极223分别通过对应的电阻242和244连接在电源端点232上。此外，两个基极212和222通过另一个电阻247相互连接。由此，电阻241、247和242构成用于电源端点231和232之间电压差2·U的分压器，并且由此确定在基极212和222上施加的电压。因此，借助于电阻241和242也可以在给定发射极电阻243和244的条件下相互独立地设置晶体管210和220中的静态电流。由此，可以对于实际的晶体管对实验性地设置针对尽可能小的失真的最佳工作点，因为pnp和npn晶体管通常不具有精确相同的特征线。

通过将发射极213、223分别额外地通过电容253、254与参考电位P连接，而将它们对于馈入的高频信号S1来说设置在参考电位P、特别是地电平上。

如果推挽放大器要在大的温度范围内尽可能以相同的特性工作，则带有交流电压和直流电压负反馈的推挽放大器特别适合。图2中示出了这种推挽放大器。与按照图1的实施方式的基本区别在于，基极212和222分别通过电容251、252与电阻245、246的并联电路261、262连接在放大器电路200的输入端201上，并且耦合器-变压器100的次级绕组112、122电位分开地与参考电位P连接，以及初级绕组111、121电位分开地与信号输入端1以及信号输出端2连接。这点是如下实现的：为耦合器-变压器100与信号输入端1和信号输出端2的连接以及耦合器-变压器100通过节点103与参考电位P的连接分别设置电容255、256、257。

在按照图2的实施方式中电阻241、245、246和242也构成了分压器。在此，电阻245和246的阻值和优选地对应于图1中电阻247的阻值。特别是，电阻245和246各自的阻值是电阻247阻值的一半。如果将图1和2中给出的一个或多个电阻241、242、243、244、245、246、247实现为微调电阻，则还可以事后实现针对尽可能小的失真的最佳静态电流和工作点匹配。

通过晶体管210和220的静态电流对于在图2中示出的放大器电路200来说通过电路规定而近似相等。在良好配对的晶体管210、220的条件下，发射极电阻值相同时将电阻241的阻值一般选择为等于电阻242的阻值，以便使集电极211和221上的电位接近参考电位P、特别是地电平(0伏)。不过，电阻241和242的阻值也可以选择为少许不同，以便在晶体管特征不同的条件下也将集电极电位尽可能地与参考电位P、特别是地电平对应。由此，对于在放大器电路200的输入端202上施加的信号给出了最大的无失真的电压提升。

在图1和2中给出的按照本发明的放大器具有这样的特性：一个在信号输出端2上连接的例如50Ω的负载阻抗Z2构成为信号输入端1上的输入阻抗Z1。输入信号S1的功率放大g通过耦合器-变压器100中的匝数比n和m确定。在此，匝数比n对应于输入变压器110，并且通过次级绕组112的匝数b与初级绕组111的匝数a的比值给出：

$n=\frac{b}{a}.$

对应地，匝数比m对应于输出变压器120，并且通过次级绕组122的匝数d与初级绕组121的匝数c的比值给出：

$m=\frac{d}{c}.$

对于功率放大g一般下式成立：

g＝n·m。

通常，匝数比n和m相等，从而功率放大g通过匝数比的平方确定。不过，还存在要求将信号输出端2上的阻抗Z2在信号输入端1上成比例地构成的应用情况。例如，如果在信号输出端2连接一个变压器的3dB功率分配器，则信号输出端2加载有Z2＝25Ω的阻抗，而在信号输入端1则要求50Ω的标准化输入阻抗Z1，这样为此采用一个其中输入变压器110和输出变压器120具有不同匝数比m和n的耦合器-变压器100。此时，对于阻抗变换比ρ成立：

$\mathrm{\ρ}=\frac{Z2}{Z1}=\frac{n}{m}$

由此，利用两个匝数比n和m作为自由度，既可以设置功率放大g又可以设置阻抗变换比ρ。

Claims (16)

1.一种用于放大可变电信号(S 1)的带有变压器负反馈的推挽放大器，具有：

-信号输入端(1)和信号输出端(2)，

-与该信号输入端(1)和信号输出端(2)连接的变压器负反馈装置(100)，以及

-放大器电路(200)，包括

-输入端(201)和输出端(202)，以及

-第一晶体管(210)和第二晶体管(220)，

其中，

-所述放大器电路(200)的输入端(201)与所述信号输入端(1)以及

-所述放大器电路(200)的输出端(202)与所述信号输出端(2)通过所述变压器负反馈装置(100)连接，

并且其中，所述变压器负反馈装置(100)作为定向耦合器-变压器构成，其具有带有各自初级和次级线圈(111，112，121，122)的输入和输出变压器(110，120)，其中，

-所述放大器电路(200)的输入端(201)

-通过输入变压器(110)的初级线圈(111)与信号输入端(1)连接，

-通过输出变压器(120)的次级线圈(122)至少为待放大的可变电信号(S1)与参考电位(P)连接，

并且

-所述放大器电路(200)的输出端(202)

-通过输出变压器(120)的初级线圈(121)与信号输出端(2)连接，

-通过输入变压器(110)的次级线圈(112)至少为待放大的可变电信号(S1)与参考电位(P)连接。

2.根据权利要求1所述的推挽放大器，其特征在于，两个分别具有集电极(211，221)、基极(212，222)和发射极(213，223)的晶体管(210，220)

-基极端与放大器输入端(201)连接，

-集电极端与放大器输出端(202)连接，

其中，

-第一晶体管(210)的基极(212)和发射极(213)与第一电源端点(231)连接，

-第二晶体管(220)的基极(222)和发射极(223)与第二电源端点(232)连接。

3.根据权利要求2所述的推挽放大器，其特征在于，分别在基极(212，222)与对应的电源端点(231，232)之间设置至少一个电阻(241，242)。

4.根据权利要求2所述的推挽放大器，其特征在于，分别在发射极(213，223)与对应的电源端点(231，232)之间设置至少一个电阻(243，244)，其中，这些发射极(213，223)分别通过至少一个电容(253，254)与参考电位(P)连接。

5.根据权利要求3或4所述的推挽放大器，其特征在于，所述电阻(241，242，243，244，245，246，247)中的至少一个是可调电阻。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，在每个晶体管(210，220)的基极(212，222)与放大器电路(200)的输入端(201)之间分别设置至少一个电容(251，252)，并且两个基极(212，222)通过至少一个电阻(247)相互连接。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，

-在每个晶体管(210，220)的基极(212，222)与放大器电路(200)的输入端(201)之间分别设置一个由至少一个电容(251，252)和至少一个电阻(245，246)组成的并联电路(261，262)，

-在输入变压器(110)的初级线圈(111)和信号输入端(1)之间设置至少一个电容(255)，

-在输出变压器(120)的初级线圈(121)和信号输出端(2)之间设置至少一个电容(256)，并且

-在次级线圈(112，122)与参考电位(P)之间设置至少一个电容(257)。

8.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，所述推挽放大器用于10kHz和更高。

9.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，所述可变电信号(S1)是高频信号。

10.根据权利要求1、2和4任一项所述的推挽放大器，其特征在于，所述第一晶体管(210)是pnp晶体管，而所述第二晶体管(220)是npn晶体管。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，将所述两个晶体管(210，220)实施为互补型pnp和npn晶体管对。

12.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，利用环形磁心实施所述定向耦合器-变压器的输入和/或输出变压器(110，120)。

13.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，利用共同的双穿孔磁心实施所述定向耦合器-变压器的输入和/或输出变压器(110，120)。

14.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，所述输入变压器(110)的匝数比n对应于输出变压器(120)的匝数比m。

15.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，所述输入变压器(110)的匝数比n不同于输出变压器(120)的匝数比m。

16.根据权利要求1、2和4中任一项所述的推挽放大器，其特征在于，所述推挽放大器是作为磁共振成像系统的高频放大器电子电路的一部分设置的。

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