RU2527202C1 - Широкополосный усилитель мощности - Google Patents
Широкополосный усилитель мощности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2527202C1 RU2527202C1 RU2013117678/08A RU2013117678A RU2527202C1 RU 2527202 C1 RU2527202 C1 RU 2527202C1 RU 2013117678/08 A RU2013117678/08 A RU 2013117678/08A RU 2013117678 A RU2013117678 A RU 2013117678A RU 2527202 C1 RU2527202 C1 RU 2527202C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- stage
- inverting
- power amplifier
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности содержит неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1). В схему введен корректирующий каскад (7), токовый выход которого (8) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1), между входом устройства (2) и входом (9) корректирующего каскада (7) включен первый (10) дополнительный резистор, а выход устройства (6) связан со входом (9) корректирующего каскада (7) через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель (11) и второй (12) дополнительный резистор. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства для прецизионного усиления по мощности аналоговых сигналов, в структурах неинвертирующих усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения, в т.ч. ВЧ и СВЧ диапазонов.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные неинвертирующие усилители (ШНУ), обеспечивающие усиление по мощности и преобразование входных сигналов [1-15].
Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема ШНУ фиг.1, представленная в патенте US 5.512.859, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1÷17]. Во многих практических случаях выходной неинвертирующий каскад ШНУ реализуется по схеме с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.3), причем такое решение ШНУ является классическим для его многих применений [16-17].
Существенный недостаток известного ШНУ фиг.1 (фиг.2, фиг.3) состоит в том, что он характеризуется повышенным уровнем нелинейных искажений, который измеряется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШНУ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШНУ [16, 17].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1 (фиг.2, фиг.3), содержащем неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен корректирующий каскад 7, токовый выход которого 8 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1, между входом устройства 2 и входом 9 корректирующего каскада 7 включен первый 10 дополнительный резистор, а выход устройства 6 связан со входом 9 корректирующего каскада 7 через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель 11 и второй 12 дополнительный резистор.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена функциональная схема усилителя-прототипа фиг.1.
На чертеже фиг.3 показана схема, соответствующая чертежу фиг.2, в которой дан конкретный пример построения неинвертирующего выходного каскада 1 со стабильным коэффициентом передачи на основе операционного усилителя А1 и резисторов R1 и R2.
На чертеже фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения. Здесь источник напряжения uош моделирует генерацию нелинейных искажений в схеме фиг.4, обусловленных неинвертирующим выходным каскадом 1, а также шумов и наводок различной природы. Как правило, это вторая, третья и другие гармоники основного сигнала uвх.
На чертеже фиг.5 приведена схема фиг.4 в среде PSpice, на базе которой проведено компьютерное исследование заявляемого (G≠0) и известного (G=0) устройств. Здесь корректирующий каскад 7 моделируется элементом G1 с крутизной Gain.
На чертеже фиг.6 показан спектр выходного напряжения модели устройства фиг.5 при значении крутизны (S7=Gain) корректирующего каскада 7 Gain=0 при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также при напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения ШНУ с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. При таком режиме изменений в схеме фиг.5 спектр фиг.6 соответствует прототипу.
На чертеже фиг.7 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны S7=Gain корректирующего каскада 7 S7=Gain=1 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Сравнение чертежей фиг.6 и фиг.7 показывает, что амплитуда третьей гармоники на выходе заявляемого устройства фиг.5 при S7=Gain≠0 уменьшилась (за счет новых связей) с 1 мВ до 1,65 мкВ, т.е. более чем в 500 раз.
На чертеже фиг.8 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S7=Gain=2 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась в сравнении с фиг.6 более чем в 1400 раз.
На чертеже фиг.9 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S7=Gain=3 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 уменьшилась в сравнении с фиг.6 более чем в 2600 раз.
На чертеже фиг.10 показан спектр выходного напряжения ШНУ фиг.5 при значении крутизны корректирующего каскада 7 S7=Gain=5 См при входном напряжении uвх=V3=10 мВ с частотой F(in)=10 кГц, а также напряжении ошибки uош=V4=1 мВ, моделирующего нелинейные искажения с частотой третьей гармоники F(V4)=30 кГц. Данные графики показывают, что третья гармоника на выходе устройства фиг.5 в сравнении с фиг.6 уменьшилась более чем в 5000 раз.
На чертеже фиг.11 показан график подавления 3-й гармоники выходного сигнала в заявляемом ШНУ фиг.5 от значения крутизны G1 корректирующего каскада 7. Из данных графиков следует, что для десятикратного подавления третьей гармоники необходимо, чтобы G1=0,021 См. Для подавления третьей гармоники в 100 раз необходимо выбрать G1=0,19 См и т.д.
Широкополосный усилитель мощности фиг.4 содержит неинвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3 через согласующий резистор 4, цепь нагрузки 5, подключенную к выходу 6 устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада 1. В схему введен корректирующий каскад 7, токовый выход которого 8 соединен со входом неинвертирующего выходного каскада 1, между входом устройства 2 и входом 9 корректирующего каскада 7 включен первый 10 дополнительный резистор, а выход устройства 6 связан со входом 9 корректирующего каскада 7 через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель 11 и второй 12 дополнительный резистор.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 7 может использоваться преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.
Кроме этого, на чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве корректирующего каскада 7 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.
Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.4, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в неинвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений uош с частотой третьей гармоники 30 кГц.
Физический смысл эффекта подавления шумов в широкополосном усилителе фиг.4 связан, во-первых, с выделением в узле 9 сигнала ошибки u9~uош, который пропорционален только уровню нежелательных спектральных составляющих uош на выходе неинвертирующего выходного каскада 1 (в рассматриваемом случае с частотой 30 кГц):
В частном случае при R10=R12
При этом следует заметить, что в узле 9 отсутствует входной усиливаемый сигнал uвх с рассматриваемой (в данном случае) частотой 10 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 9 двух его равных, но противофазных составляющих uвх и -uвых.
Выделенная таким образом ошибка u9≈uош 12 (при R10=R12) вводится (благодаря резистору 4) во входную цепь выходного неинвертирующего каскада 1 и корректирующего каскада 7 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение uош, генерируемое этим выходным каскадом.
Рассмотрим далее результаты моделирования фиг.6 и фиг.7.
При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 7 (S7=G=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений uош полностью передается в нагрузку 5. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 6 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 30 кГц имеет амплитуду uвых=1 мВ.
При введении цепи коррекции 7, имеющей крутизну S7=l См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.5 с частотой 30 кГц уменьшается в 606 раз с 1 мВ до 1,65 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления uош достаточно для многих применений ШНУ. Дальнейшее увеличение крутизны S7 обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно (фиг.11).
Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по уровню подавления нелинейных искажений и шумов. Кроме этого, как показывает моделирование, предлагаемая структура широкополосного усилителя позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения ( 
вых) устройства в целом, когда выходной неинвертирующий
каскад 1 имеет малые значения 
вых.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.241.283, fig.6.
2. Патентная заявка US 2004/0080371.
3. Патентная заявка US 2006/0132238.
4. Патент JP 10242777.
5. Патент US 4.607.235.
6. Патентная заявка US 2006/0087369, fig. 6.
7. Патентная заявка US 2006/0220590.
8. Патент US 4.335.359.
9. Патент US 4.510.458.
10. Патент US 5.237.526, fig. 2 В.
11. Патентная заявка US 2005/0122170.
12. Патентная заявка US 2005/0035821.
13. Патент US 6.107.884, fig. 2.
14. Патент US 5.225.791.
15. Патентная заявка US 2002/00057592.
16. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах: Монография. / Н.Н.Прокопенко. - Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. - 222 с.
17. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: Монография. / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.
Claims (3)
1. Широкополосный усилитель мощности, содержащий неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1), отличающийся тем, что в схему введен корректирующий каскад (7), токовый выход которого (8) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1), между входом устройства (2) и входом (9) корректирующего каскада (7) включен первый (10) дополнительный резистор, а выход устройства (6) связан со входом (9) корректирующего каскада (7) через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель (11) и второй (12) дополнительный резистор.
2. Широкополосный усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что в качестве корректирующего каскада (7) используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.
3. Широкополосный усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что в качестве корректирующего каскада (7) используется усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013117678/08A RU2527202C1 (ru) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Широкополосный усилитель мощности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013117678/08A RU2527202C1 (ru) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Широкополосный усилитель мощности |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2527202C1 true RU2527202C1 (ru) | 2014-08-27 |
Family
ID=51456405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013117678/08A RU2527202C1 (ru) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Широкополосный усилитель мощности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2527202C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5512859A (en) * | 1994-11-16 | 1996-04-30 | National Semiconductor Corporation | Amplifier stage having compensation for NPN, PNP beta mismatch and improved slew rate |
| RU21703U1 (ru) * | 2000-12-06 | 2002-01-27 | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | Широкополосный усилитель мощности с автоматической регулировкой потребляемого тока |
| US20060087369A1 (en) * | 2004-10-22 | 2006-04-27 | Creative Technology Ltd. | Amplifier system and method |
| RU2475942C1 (ru) * | 2012-02-01 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный дифференциальный усилитель |
-
2013
- 2013-04-16 RU RU2013117678/08A patent/RU2527202C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5512859A (en) * | 1994-11-16 | 1996-04-30 | National Semiconductor Corporation | Amplifier stage having compensation for NPN, PNP beta mismatch and improved slew rate |
| RU21703U1 (ru) * | 2000-12-06 | 2002-01-27 | Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники | Широкополосный усилитель мощности с автоматической регулировкой потребляемого тока |
| US20060087369A1 (en) * | 2004-10-22 | 2006-04-27 | Creative Technology Ltd. | Amplifier system and method |
| RU2475942C1 (ru) * | 2012-02-01 | 2013-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный дифференциальный усилитель |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Orcioni et al. | Identification of Volterra models of tube audio devices using multiple-variance method | |
| RU2523124C1 (ru) | Мультидифференциальный операционный усилитель | |
| Vijay et al. | A low power waveform generator using DCCII with grounded capacitor | |
| RU2365969C1 (ru) | Токовое зеркало | |
| Sawigun et al. | A modular transconductance reduction technique for very low-frequency G m-C filters | |
| Kumar et al. | Single active element-based tunable square/triangular wave generator with grounded passive components | |
| Siripruchyanun et al. | A fully/electronically controllable voltage-mode Schmitt trigger based on only single VDGA and its applications | |
| RU2527202C1 (ru) | Широкополосный усилитель мощности | |
| RU2534972C1 (ru) | Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов | |
| Sen et al. | Current-mode fractional-order shelving filters using MCFOA for acoustic applications | |
| RU2331964C1 (ru) | Преобразователь "напряжение-ток" | |
| RU2536378C2 (ru) | Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов | |
| RU2579127C1 (ru) | Широкополосный преобразователь n-токовых входных сигналов в напряжение на основе операционного усилителя | |
| Martincorena‐Arraiza et al. | AC amplifiers with ultra‐low corner frequency by using bootstrapping | |
| Kardoulaki et al. | A simulation study of high‐order CMOS hyperbolic‐sine filters | |
| Wang et al. | 0.5 V inverter‐based ultra‐low‐power, low‐noise VGA for medical ultrasound probes | |
| RU2390919C1 (ru) | Управляемый усилитель переменного тока | |
| Spinelli | High input impedance DC servo loop circuit | |
| RU2513489C2 (ru) | Мутильдифференциальный операционный усилитель | |
| Bangsa et al. | Stochastic resonance mixed-signal processing: Analog-to-digital conversion and signal processing employing noise | |
| Wu et al. | Design of amplifiers with high gain accuracy and high linearity | |
| RU214156U1 (ru) | Устройство для измерения нелинейных искажений электрического сигнала с повышенной помехоустойчивостью | |
| RU2542879C1 (ru) | Ключевой усилитель мощности | |
| RU2595926C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| Mohan et al. | 0.35 V time‐domain‐based instrumentation amplifier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150417 |