JPS606131B2 - 電力増幅器 - Google Patents

電力増幅器

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JPS606131B2
JPS606131B2 JP55176460A JP17646080A JPS606131B2 JP S606131 B2 JPS606131 B2 JP S606131B2 JP 55176460 A JP55176460 A JP 55176460A JP 17646080 A JP17646080 A JP 17646080A JP S606131 B2 JPS606131 B2 JP S606131B2
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power supply
current
load
diode
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/211Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only using a combination of several amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F1/00Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/02Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation
    • H03F1/0205Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers
    • H03F1/0211Modifications of amplifiers to raise the efficiency, e.g. gliding Class A stages, use of an auxiliary oscillation in transistor amplifiers with control of the supply voltage or current
    • H03F1/0244Stepped control

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電力増幅器、特に出力段に複数のェミツタフ
オロワ型トランジスタを使用する高効率リニア電力増幅
器に関するものである。
〔従来の技術〕
例えば偏向ヨークの如き誘導性負荷、或いはその他の抵
抗性又は容量性負荷を直接駆動する電力増幅器において
は、出力段増幅素子の動作電源電圧は、負荷が必要とす
る最大出力電圧より少なくとも僅かに大きくなければな
らない。
電源電圧と瞬時負荷電圧との差電圧は、負荷電流が流れ
ている出力段増幅素子に加えられ、電力損となって増幅
素子の発熱を増大させる。ここで、電源電流と負荷電流
が等しいと仮定すると、抵抗性負荷の駆動期間中の増幅
器の効率は、次式で表わされる。
効率!負電荷源競扉き巽蟻給費蔓れれるる電電力力=畠
麓亀岸この式から分かるとおり、負荷電圧が電源電圧に
近づくほど効率は高くなる。
しかし、一般には負荷電圧は入力信号により変動し大部
分の時間はその最大電圧以下であるので、効率は低い。
電力増幅器の効率を高くするには、負荷(したがって入
力)電圧が低電圧のときは低電圧電源で、高電圧のとき
は高電圧電源で増幅素子を動作させればよい。こうすれ
ば、入力電圧の変化に拘わらず負荷(出力)電圧が電源
電圧近く高効率となる。以下、この多重電源方式の従来
の電力増幅器の例を第2〜第4図について簡単に説明す
る。第2図の例では、2個のトランジスタ(以下「TR
」と略す。)2a,2bを負荷6に対して直列接続し、
入力に対してはそれぞれダイオード3,5と1を介して
並列接続し、TR2aのコレクタには低圧電源N,をダ
イオード7を介して接続し、TR2bのコレクタには高
圧電源V2を接続している。入力信号電圧VinがV,
以下のときはLTR2bのベース・ェミツタ間は逆バイ
アスされるのでTR2aのみが動作し、負荷(出力)電
圧Voutは、入力電圧VinからTR2aのベース・
ヱミッタ電圧(VBE)及びダイオード3,5の順方向
電圧降下を差引いた値となる。VinがV,を超すと「
TR2bが順バイアスとなり動作を開始する。このとき
、TR2aのベース。コレクタ間は日頃バイアスとなる
ので、ダイオード7をオフとしてこの順バィアス電流が
V,へ逆流するのを阻止すると共にTR2bのェミッタ
をV,の低電圧から解放する。第3図の例は、袴開昭5
0−45552号公報に記載された電力増幅器であって
t 2個のTR2a,2b負荷6及び入力Vinに対し
て並列接続し、コレクタをそれぞれ低圧電源V,及び高
圧電源V2に接続している。
Vin<V,の場合は「 両TR2a,2bが共にオン
であり、Vin>V,になると「TR2aはオフとなり
TR2bのみが動作する。ここで、必要に応じてTR2
a9 2bのベース抵抗4a,4bの値を調整すれば、
低電圧時に大半の負荷をTR2aが負担するようになる
ので、効率を改善できる。第4図は、特開昭51−13
2744号公報に記載された電力増幅器の一部を抜き出
して示したものである。
この電力増幅器においては、n個のェミッタフオロワT
R2a,2b,・・・・・・………,2nの工ミッタ出
力を共通負荷6に並列接続すると共に、TR2nを除く
それぞれのコレクタに異なる電圧の動作電源V,,V2
,・・・・・・・…・・・・・,Vnをダイオード7a
,7b,……………を介して接続している。各TRのベ
ースには、スイッチS,,S2,・…・・…・・・・・
・,Snを介して選択的に入力信号電圧Vinを印加す
ると共に、電源Nnに一端が接続された電源Voの池端
を抵抗器9を介して接続されている。Vin<V,のと
きはS,を閉じてTR2aにより入力信号Vinを増幅
し、V,<Vjn<V2のときはS2を閉じてTR2b
が増幅素子となり、Vn−,<VinくVnになるとS
nを閉じてTR2nが増幅素子になっている。なお、抵
抗8a,8b,.・・・…….・・.・8nは各TRに
最適バイアス電流を供給するよう選定されている。〔発
明が解決しようとする問題点〕 上述した従釆の電力増幅器には、いずれも次のような欠
点がある。
すなわち、動作イRが切換わる時点で各TRのVB8及
び(又は)ベース回路のダイオードや抵抗器による電圧
降下の変化により出力電圧に不連続が生じ、また、温度
変化等により力電圧の変化を生じる。更に、第2図の電
力増幅器ではVinZV,のときTR2aへのベース電
流がTR2bのベース電流に付加され、第3図のもので
はTR2aのベース電流がなくなるため、入力信号に対
する電流電圧特性に不連続が生じ、出力信号に歪を生じ
る。なお、第3図の場合は、低入力電圧時に両TRが能
動であるため電力効率が低い。また、第4図の電力増幅
器では、各TRのベースもバイアスを最高電圧Vn}こ
重ねたバイアス電源Voにより供給しているので、電力
効率が悪い。これは、各TRの電流増幅率(B)が低い
場合に特に顕著になる。したがって、本発明の目的は「
これらの欠点がない高効率L低歪率及び高安定度の電
力増幅器を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、上記の目的を達成するため、コレクタがそれ
ぞれ異なる電圧の電源に接続された複数の増幅素子(T
R)のェミッタを共通負荷に接続し、ベースにそれぞれ
半導体接合を介して共通入力信号を印加すると共に「上
記共通負荷電圧にフローティングした付勢(バイアス)
電源より抵抗器を介して上記TRに入力信号電圧を応じ
て選択的に付勢電流を供給するようにした。
〔作用〕
その結果、動作中のTRには負荷電圧に関係なく常時一
定の付勢電流が供給され、しかも、TRのVBEと半導
体接合の電圧降下とはほぼ等しく互いに相殺されるので
、出力(負荷)電圧は実質的に入力電圧と等しく高効率
、高安定且つ低歪率となる。
〔実施例〕
第1図は、本発明の基本的実施例の要部を示す回路図で
ある。
この図の電力増幅器は、実質的に並列接続された2個(
ただし、本発明はこれに限定されない。)のTRを有し
、入力信号電圧に応じて可能な限り最低電圧の電源から
負荷電流を供給するようにしている。すなわち、ェミツ
タフオロワ型に接続して1対のTR30,35のェミッ
タ接続点と基準電位源間に負荷抵抗器40を接続し、ベ
ースにそれぞれ半導体接合(ダイオード)15,10を
介して入力信号電圧Vinを印加する。TR35のコレ
クタにはダイオ−ド45を介して低電圧電源V,を接続
し、TR30のコレクタには高電圧電源V2を接続する
。TR30,35の共通ェミッタは、浮動(フローティ
ング)バイアス電源VOと抵抗器20の直列回路及びス
イッチ25を介してTR30又は35のベースに接続し
、バイアス電流を付勢電流として選択的にベースに供給
する。このスイッチ25は、電子スイッチであることが
好ましく、VinがV,より充分低い場合には図示位置
にあってTR35のベースとダイオード10の接続点に
バイアス電流i,を供給し、VinがV,より充分高い
場合には図の左側位置にきてTR30のベースとダイオ
ード15の接続点にバイアス電流i2を供給し、そして
、VinがV,の近傍にあるときはスイッチ25はTR
30及び35の双方にバイアス電流を連続的に配分して
供給するのが好ましい。VinがV,に比して充分低電
圧であれば、スイッチ25は図示位置にあるので、TR
35のベースとダィオード10の接続点にバイアス電流
,を供給する。
このバイアス電流i,は、ほぼVぐと抵抗器20の比で
決まり、その一部はダイオード10に流れTR35のベ
ース電圧をVin+Vo,。とする。ただし、Volo
はダイオード10の電圧降下である。i,の残りはTR
35のベースに流入して増幅され、対応する出力電流が
負荷40‘こ流れ、その両端の出力端子間に出力電圧V
outが現われる。ここで、ダイオード10の電圧降下
とTR35のVBBは異なる周囲温度条件でも互いに打
消し合うので、Voutは実質的にVinと等しくなり
、負荷電流は、i,が存在する限り電源V,からダイオ
ード45を介して流れる。換言すると、負荷電流はTR
35の電流増幅率などに関係なくVjn/R4。となり
、出力電力はVi〆/R軸になる。ここに、R4oは負
荷抵抗器40の抵抗値である。入力信号電圧yinが上
昇すると、Voutもこれに追従して上昇するが、i,
はバイアス電源Vぐが負荷に対してフローティングであ
るためほぼ一定である点に注目されたい。
Vjnが上昇したにも拘らずVoutが追従しない場合
には、ダイオード10に流れる電流が減少し、その分だ
けTR35のベースに流入するので、TR35のェミツ
タすなわち負荷電圧は急速に上昇してVin=Vout
となる。逆の場合も、同様のことが成立する。Vinが
更に上昇してV,を超すと、TR35のベース電圧がコ
レクタ電圧を超すので増幅動作ができなくなるが、後述
のように、この状態を制御回路で検出してスイッチ25
を左側に切換え、バイアス電流i2をTR30のベース
とダイオード1 5の接続点‘こ供給する。
そこで、TR30がTR35に代って動作を開始し、負
荷電流は高圧電流V2から供給されるようになる。この
場合にも、ダイオード15の電圧降下とTR30のVB
Eは相殺されるので、負荷電圧Voutは実質的にVi
nと等しい。よって、Vinのほぼ0からV2までの広
範囲にわたり、低入力電圧時には低電圧V,で動作し、
高入力電圧時は高電圧y2で動作して総合効率を高く維
持する。なお、ダイオード10及び15の存在により、
対応するTRのベースとの接続点にバイアス電流i,又
はi2が供給されていない期間中は、対応するTRを完
全にオフとする。上述のように、第2図の従来増幅器で
は、TR2bでオンであるか否かによりその入出力特性
に不可避的に不連続が生じるが、第1図の電力増幅器に
おいては、両汀Rの8を等しくすれば原理的に連続にす
ることができるので、同じ型名のTRを使用する限り第
2図の場合のような急激な不連続を生じることはない。
第5図は、第1図の電力増幅器の変形例を示す回路図で
ある。
この回路は、実質的には第1図と同じであるが、極めて
高い電流利得を得るため、第1図のTR35,30の代
わりもこそれぞれ2個のダーリントン接続のTR215
,220及び205,210を含む第1フオロワ回路2
02と第2フオロワ回路203を使用する点及び入力段
入力ェミッタフオロワTR200を有する点で相違する
。これらフオロワ回路202,203の電流利得は、そ
れぞれ各TRの電流利得(8)の積に等しい極めて高い
値であるから、i,,i2の値を大幅に減少することが
できる。更に、入力段TR20川ま、増幅器の入力電流
をその電流利得分の1に減少できる。また、入力段ェミ
ッタフオロワTR200のコレクタにも浮動電源−V?
を使用するので、そのベース・コレクタ間電圧変化は広
範囲の出力電圧に対して僅かであって、ベース・コレク
タ間容量の影響は最小になり、増幅器全体の速度及び周
波数特性を大幅に向上する。第6図は、好適な制御回路
250を有する本発明の具体的実施例を示す回路図であ
る。
図中、ブロック202,203は、第5図に破線で囲ん
で示したフオロワ回路202,203に対応する。入力
信号Vinはバイアスとして使用するェミツタフオロワ
TR200のベースから入力され、TR200のェミッ
外ま、ダイオード201を介して第1フオロワ段202
の入力端である接続点Aに接続すると共に、ダイオード
214を介して第2フオロワ段203の入力端である接
続点Cに接続する。第1及び第2フオロワ段202,2
03の出力端は、共通負荷(図示せず)に接続され出力
端Voutとなる。この出力端Vo山は、浮動電源Vめ
及び抵抗器211の直列回路を介して接続点Bに接続す
る。この接続点Bは、抵抗器209及びダイオード20
7を介して接続点Aに接続すると共に、スイッチングT
R206のエミツタ・コレクタを介して接続点Cに接続
する。TR206のベースは、抵抗器217を介して接
続点Bに接続すると共にダイオード213、TR204
のコレクタ・ェミッタの直列回路を介して基準電源に接
続する。低電圧電源N,は、TR204のベースに直接
接続すると共に第1フオロワ段202のコレク外こダイ
オード212を介して接続し、高電圧電源V2は第2フ
オロワ段203のコレクタに接続する。第6図の制御回
路25川ま、第1及び第2フオロワ段202,203へ
のバイアス(付勢)電流を、入力信号電圧VinがV,
近傍の狭い範囲内に入るとき、第1フオロワ段202か
ら第2フオロワ段203へ又はこの逆に、連続的に負荷
分担比が移行するように比例配分して供給するので、第
2図の従来の電力増幅器に生じた入力電流の不連続を排
除することができる。
すなわち、第6図の制御回路は、付勢電流を一方のフオ
ロワ段から他方のフオロワ段へ出力電圧に応じて連続的
に移行させるように動作する。この移行は、Voutの
V,付近における或る過渡範囲においてのみ行われる。
出力電圧がこの過渡範囲を通過する間に、最初全負荷電
流を負担していたフオロワ段の負荷電流分担比は100
%から0%へ徐々に減少し、同時に、他方のフオロワ段
の負荷分担比は0%から100%へと増加する。第7図
により、この連続的な負荷分担動作を詳細に説明する。
第7図は、第6図の回路接続点A,B及び出力端の電圧
を入力電圧の関数として図示したものである。
以下、制御回路の動作を第7図の機軸における入力電圧
レンジ1〜5に分けて説明する。第6図の電力増幅器は
、入力電圧が電圧レンジ1〜5を通過する際、制御回路
により次のように動作する。電圧レンジI このレンジは、出力電圧が0から次第に増加して接続′
点Bの電圧がダイオード213をオンさせる電圧に達す
るまでの範囲である。
この上限電圧は「TR204及びダイオ−ド213とし
て同じ半導体材料(例えばゲルマニウム又はシリコン)
を使用していれば、実際上ほぼ低圧電源電圧V,の電圧
と等しい電圧である。ダイオード213が導適する前は
、B点の電圧V8は、出力電圧Voutより抵抗器20
9及びダイオード207の電圧降下並びに第1フオロワ
段202のTR215,220のベース・ェミッタ接合
電圧の和により決まる固定電圧分だけ正の電圧である。
したがって、このレンジでは、V8=Vout+上記固
定電圧であり、ダイオード213は逆バイアス、TR2
06はオフ、TR204は飽和状態である。
よって、j2は0であり、i,は0より大きい値であっ
て、第1フオロワ段202のみが付勢され動作している
ので、負荷電流は電源V,のみから供給される。電圧レ
ンジ2 このレンジは、TR206のベース・エミツタ接合電圧
と等しい幅である。
出力電圧Voutがレンジ1から更に上昇すると「ダイ
オード213がオンとなり抵抗器217に電流が流れ始
める。この電流により、B点の電圧VBが変化する。抵
抗器217の目的はダイオード213がオフのときTR
206をオフに維持することにあるので、その抵抗値は
抵抗器21 1より充分大きくしてB点への影響が無視
できるようにする。このレンジは、VB=Vo山十レン
ジ1の固定電圧となり、ダイオード2 1 3はオン、
TR204は飽和である。
抵抗器217の電圧降下は0からTR206のベース・
ェミツタ接合電圧に上昇するが、レンジ2の間TR20
6はオフであり、i2は0、第1フオロワ段202のみ
が付勢される。よって、電源V,のみが全負荷電流を供
給する。電圧レンジ3このレンジで、一方の電源V.(
又はV2)から他方の電源V2(又はV,)への電源の
切換えが起きる。
レンジの幅は、前の2レンジで述べた固定電圧降下に近
い値である。このレンジは、TR206は能動領域にあ
り、B点電圧V8はV.より約ダイオード1個の電圧降
下分だけ高く固定される。
TR204は飽和しており、抵抗器209の電圧降下す
なわち電流i,は、出力電圧Vo山が増加するにつれて
ほぼ0に減少する。ダイオード213を流れる一定電流
を除き、B点の電流はi.とi2とに分流される。抵抗
器209の電流降下すなわちi,が減少するにつれて、
i2が増加する。よって、第1フオロワ段202は徐々
に消勢され、逆に第2フオロワ段203は付勢され、負
荷電流は両軍源V,,V2からVoutに応じて異なる
割合で供鎌舎される。レンジ3は、B点電圧VBは固定
し出力電圧Vo山は増加するので、抵抗器211の電流
及び電圧降下は増加する。
もしi,とi2の和が一定でなければ、TR200のェ
ミッタ電流も一定ではなく増幅器出力段に要する入力も
またレンジ毎に異なることになるが、TR204のェミ
ッタ電流を抵抗器211の電流増加と同じに選択すれば
、i,,i2の和を一定にすることができる。i,とi
2の和を一定にする限り、入力電流の変動は、第1、第
2のフオロヮ段の電流利得(8)の不平衡と負荷電流の
変化によるもののみである。電圧レンジ4 レンジ4の上限は、TR206が完全に飽和する点であ
る。
このレンジでは、B点電圧VBがレンジ3と同一レベル
に固定され、第5図の抵抗器227の電圧降下がTR2
20の約0.7ボルトのVB8からほぼ01こ低下し、
TR204が飽和し、ダイオード213はオン、TR2
06は能動状態である。電流i,はほぼ0であって、第
2フオロワ段203のみが付勢され、高圧電源V2が全
員荷電流を供給する。電圧レンジ5 レンジ5は、TR206が完全に飽和した点からVou
tがほぼV2に達するまでの範囲である。
このレンでは、ダイオード213がオン、TR204が
能動状態、TR206が飽和状態である。よって、第2
フオロワ段203のみが付勢される。ダイオード212
により、第1フオロヮ段202の入出力端をV,以上に
するとこができる。レンジ5では、全員荷電流が高圧電
源V2のみが供給される。第8図は、本発明によりプッ
シュプル電力増幅器を構成した例を示す回路図である。
この回路は、第6図と同様な回路を2個(図中250,
250′で示す。)使用する。この2つの回路は、相補
型であって電源、ダイオード及びTRの極性ないし導電
型が互いに反対である。第9図は、本発明によるブッシ
ュプル電力増幅器の他の例を示す回路図である。
この回路は、電圧の異なる3電源IV,l,IV2l及
びIV3lで動作する。この電力増幅器においては、完
全な演算増幅器を横成すべく従釆の相互コンダクタンス
段を設けている。電源士V.,土V2及び±V3の出力
電圧は、特定の用途に応じて電力効率が最大となるよう
に選択する。これは、負荷特性及び出力鰭圧の性質に応
じて慎重に検討する。〔発明の効果〕 以上説明したとおり、本発明の電力増幅器は、ェミツタ
が共通負荷に接続されそれぞれ異なるコレクタ電源電圧
で動作する複数のフオロヮ段を有し、各フオロヮ段のベ
ース付勢は浮動電源とスイッチを用い入力電圧及びコレ
クタ電圧に応じて自動的に切換え又は付勢電流の分配を
行い、且つ各フオロワ段のベースにはそのトランジスタ
のベース・ェミツタ接合と同じ半導体接合を介して入力
電圧を印加するようにした。
したがって、本発明は、入力電圧(負荷電圧)とコレク
タ電圧(電源電圧)の大小関係に応じて自動的に作動フ
オロワ段を選択するので電力効率を高くしうるのみなら
ず、複数のフオロワ段を連続的(フェードィン・フェー
ドアウト的)に制御することにより不連続又は増幅歪を
最小にすることができる。また、各フオロワ段のトラン
ジスタのVBE(ベース・ヱミッタ接合電圧)をその入
力側の半導体接合の電圧降下により相殺するので、入力
電圧と出力(負荷)電圧の電圧差を最小とし且つ温度変
化に対しても安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的実施例の要部を示す回路図、第
2〜第4図は従来例を示す回路図、第5図は第1図の回
路の変形例を示す回路図、第6図は好適な制御回路を有
する本発明の具体的実施例を示す回路図、第7図は第6
図の回路動作説明図、第8及び第9図は本発明によるプ
ッシュプル型電力増幅器の構成例を示す回路図である。 10,15;201,204・・・・・・半導体接合、
40……共通負荷、Vin・…・・入力信号源、35,
30;202,203……第1及び第2トランジスタ、
45,212……ダイオード、V,……第1電源「V2
……第2電源、V?…・・・浮動電源、20,211・
・・・・・抵抗器、25:207,206…・・・スイ
ッチング素子、250,250′・・・・・・制御回路
。FIG.l FIG.2 FIG.3 FIG.ム 2字三 岬前々 土夕万万Z こ夕方左白− 叶 肘

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 エミツタを相互接続すると共に共通負荷を介して基
    準電位源に接続し、ベースをそれぞれ半導体接合を介し
    て入力信号源に接続した第1及び第2トランジスタと、
    ダイオードを介して上記第1トランジスタのコレクタに
    接続した第1電源と、上記第2トランジスタのコレクタ
    に接続した上記第1電源より高電圧の第2電源と、浮動
    電源及び抵抗器の直列回路を含み、一端が上記第1及び
    第2トランジスタの共通エミツタに接続され、他端がそ
    れぞれスイツチング素子を介して上記第1及び第2トラ
    ンジスタのベースに接続され、上記負荷電圧と上記第1
    電源電圧との大小関係に応じて自動的に上記第1及び第
    2トランジスタの作動を制御する制御回路とを具えた電
    力増幅器。
JP55176460A 1979-12-20 1980-12-12 電力増幅器 Expired JPS606131B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/106,075 US4319199A (en) 1979-12-20 1979-12-20 Efficient power amplifier with staggered power supply voltages
US106075 1987-10-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5694809A JPS5694809A (en) 1981-07-31
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