RU67359U1

RU67359U1 - TRANSFORMER-FREE TRANSFORMER POWER AMPLIFIER

Info

Publication number: RU67359U1
Application number: RU2006145959/22U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Вячеславович Пуцыкович
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Алмаз" имени академика А.А. Расплетина"
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2007-10-10

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к усилительным устройствам, и может быть использована в системах автоматического управления различного назначения. Технический результат - снижение искажений выходных сигналов усилителя за счет обеспечения линейности его передаточной характеристики. Бестрансформаторный транзисторный усилитель мощности содержит первый каскад, выполненный на первом операционном усилителе (ОУ), второй каскад на 2-х комплементарных транзисторах средней мощности, третий каскад на 2-х мощных комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», а также второй ОУ. Инвертирующие входы первого и второго ОУ через резисторы соединены с входной и выходной шинами устройства, а выход второго ОУ подключен к выходной шине через два, последовательно соединенных резистора, между точкой соединения которых и общей шиной подключены последовательно соединенные первый и второй стабилитроны, причем первый стабилитрон включен в обратном, а второй - в прямом направлении. 2 илл.The utility model relates to electrical engineering, in particular, to amplifying devices, and can be used in automatic control systems for various purposes. The technical result is the reduction of distortion of the output signals of the amplifier by ensuring the linearity of its transfer characteristic. A transformerless transistor power amplifier contains a first stage performed on the first operational amplifier (OA), a second stage on 2 complementary medium power transistors, a third stage on 2 powerful complementary transistors operating in a push-pull circuit in class “B”, and second op amp. The inverting inputs of the first and second op-amps are connected through the resistors to the input and output buses of the device, and the output of the second op-amp is connected to the output bus through two resistors connected in series, between the connection point of which and the common bus, the first and second zener diodes are connected, the first zener diode being turned on in the opposite, and the second in the forward direction. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к усилительным устройствам, и может быть использована в системах автоматического управления (САУ) различного назначения.The utility model relates to electrical engineering, in particular, to amplifying devices, and can be used in automatic control systems (ACS) for various purposes.

Усилители мощности (УМ), выполненные по бестрансформаторной схеме на комплементарных транзисторах (р-n-р и n-р-n), находят применение в схемах САУ различных устройств автоматики и телемеханики. В известном бестрансформаторном транзисторном УМ, содержащем первый (входной) каскад, выполненный на операционном усилителе (ОУ), второй каскад на комплементарных транзисторах средней мощности, третий (оконечный) каскад на мощных комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», в первом каскаде инвертирующий вход ОУ через резистор подключен к входной шине УМ, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход подключен через резисторы к базам транзисторов n-р-n и р-n-р второго каскада, эмиттеры которых через резисторы соединены друг с другом, с общей и выходной шинами, а их коллекторы соединены через резисторы с базами транзисторов, соответственно, р-n-р и n-р-n третьего каскада, коллекторы которых соединены с выходной шиной УМ, база и эмиттер транзистора р-n-р подключены через резисторы к шине положительного напряжения питания, а база и эмиттер транзистора n-р-n - к шине отрицательного напряжения питания, выходная шина УМ через резистор соединена с инвертирующим входом ОУ первого каскада [Г.С.Остапенко. Усилительные устройства. М, «Радио и связь», 1989, стр.258, рис.5.11].Power amplifiers (UM), made according to the transformerless scheme on complementary transistors (pnp and npn), find application in SAU circuits of various automation and telemechanics devices. In the well-known transformerless transistor amplifier containing the first (input) stage, performed on an operational amplifier (OA), the second stage on complementary transistors of medium power, the third (terminal) stage on powerful complementary transistors operating on a push-pull circuit in class "B", in the first stage, the inverting input of the op-amp through a resistor is connected to the input bus of the PA, the non-inverting input is connected to a common bus, and the output is connected through resistors to the bases of the transistors npn and pnp of the second stage, the emitters of which through the sources are connected to each other, with a common and output bus, and their collectors are connected through resistors to the bases of transistors, respectively, pnp and npn of the third stage, the collectors of which are connected to the output bus of the PA, the base and emitter of the transistor pnp is connected through resistors to the bus of the positive supply voltage, and the base and emitter of the transistor npn is connected to the bus of the negative supply voltage, the output bus of the PA through a resistor is connected to the inverting input of the op-amp of the first stage [G.S. Ostapenko. Amplification devices. M, "Radio and Communications", 1989, p. 258, Fig. 5.11].

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного УМ, является искажение выходных сигналов из-за нелинейности его передаточной характеристики. Это обусловлено тем, что при величине входного напряжения менее 0,5 В на базе работающего в режиме класса «В» транзистора третьего каскада его коэффициент усиления практически равен нулю, в следствие чего образуется зона нечувствительности при малых входных сигналах. Она может быть устранена путем перевода работы этого транзистора из режима «В» в режим «АВ» за счет смещения начальной рабочей точки в область, близкую к линейному режиму. Однако при этом снижаются энергетические характеристики УМ и The reason that impedes the achievement of the technical result indicated below when using the known PA is the distortion of the output signals due to the nonlinearity of its transfer characteristic. This is due to the fact that when the input voltage is less than 0.5 V on the basis of a third-stage transistor operating in class “B” mode, its gain is almost zero, which results in the formation of a deadband with small input signals. It can be eliminated by transferring the operation of this transistor from mode “B” to mode “AB” by shifting the initial operating point to an area close to linear mode. However, this reduces the energy characteristics of the MIND and

может быть нарушена тепловая устойчивость транзистора при повышении температуры окружающей среды. Все это ограничивает функциональные возможности УМ.the thermal stability of the transistor may be affected when the ambient temperature rises. All this limits the functionality of the PA.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Ее задачей является создание транзисторного УМ, у которого отсутствует зона нечувствительности в области малых входных сигналов при сохранении энергетических преимуществ работы в режиме «В» в области больших входных сигналов, что расширяет функциональные возможности устройства. Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, выражается в снижении искажений выходных сигналов УМ за счет обеспечения линейности его передаточной характеристики.The essence of the utility model is as follows. Its task is to create a transistor amplifier, which does not have a deadband in the region of small input signals while maintaining the energy advantages of operating in the "B" mode in the field of large input signals, which extends the functionality of the device. The technical result obtained by the implementation of the utility model is expressed in the reduction of distortion of the output signals of the PA due to the linearity of its transfer characteristic.

Это достигается тем, что в известный бестрансформаторный транзисторный УМ, содержащий первый (входной) каскад, выполненный на первом ОУ, второй каскад на комплементарных транзисторах средней мощности, третий (оконечный) каскад на мощных комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», причем в первом каскаде инвертирующий вход первого ОУ через резистор подключен к входной шине УМ, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход подключен через резисторы к базам транзисторов n-р-n и р-n-р второго каскада, эмиттеры которых через резисторы соединены друг с другом, с общей и выходной шинами, а их коллекторы соединены через резисторы с базами транзисторов, соответственно, р-n-р и n-р-n третьего каскада, коллекторы которых соединены с выходной шиной УМ, база и эмиттер транзистора р-n-р подключены через резисторы к шине положительного напряжения питания, а база и эмиттер транзистора n-р-n - к шине отрицательного напряжения питания, выходная шина УМ через резистор соединена с инвертирующим входом первого ОУ, согласно полезной модели дополнительно введен второй ОУ, инвертирующий вход которого соединен через резисторы с входной и выходной шинами УМ, неинвертирующий вход - с общей шиной, а выход подключен к выходной шине УМ через два последовательно соединенных резистора, между точкой соединения которых и общей шиной подключены последовательно соединенные первый и второй стабилитроны, причем первый стабилитрон включен в обратном, а второй - в прямом направлении.This is achieved by the fact that in the known transformerless transistor amplifier containing the first (input) stage, made on the first op-amp, the second stage on complementary transistors of medium power, the third (terminal) stage on powerful complementary transistors operating in a push-pull circuit in class “B” moreover, in the first stage, the inverting input of the first op-amp through a resistor is connected to the input bus of the PA, the non-inverting input is connected to a common bus, and the output is connected through resistors to the bases of the transistors npn and pnp of the second stage, em Ers which through resistors are connected to each other, with common and output buses, and their collectors are connected through resistors to transistor bases, respectively, pnp and npn of the third stage, whose collectors are connected to the output bus of the PA, base and the emitter of the transistor pnp connected through the resistors to the bus of the positive supply voltage, and the base and emitter of the transistor npn to the bus of the negative supply voltage, the output bus of the PA through the resistor is connected to the inverting input of the first op-amp, according to the utility model introduced tue a swarm op amp, the inverting input of which is connected through the resistors to the input and output buses of the PA, the non-inverting input - to the common bus, and the output is connected to the output bus of the PA through two series-connected resistors, between the connection point of which and the first and second zener diodes are connected in series and the first zener diode is turned on in the opposite, and the second in the forward direction.

Введение второго ОУ обеспечивает линейность передаточной характеристики УМ во всем диапазоне входных сигналов. Это происходит в следствие того, что при малом входном сигнале его усиление осуществляется этим ОУ, а за счет выбора параметров стабилитронов и резисторов его выходное напряжение ограничивается в тот момент, когда увеличивающийся входной сигнал начинает преодолевать зону The introduction of the second op-amp provides linearity of the transfer characteristic of the PA in the entire range of input signals. This is due to the fact that with a small input signal, its amplification is carried out by this op-amp, and due to the choice of parameters of zener diodes and resistors, its output voltage is limited at the moment when the increasing input signal begins to overcome the zone

нечувствительности транзисторов третьего каскада УМ. Поскольку трехкаскадный УМ и второй ОУ охвачены глубокой отрицательной обратной связью, то коэффициенты усиления в областях малых и больших входных сигналов одинаковы, а в выходных сигналах отсутствуют искажения в тот момент, когда начинается ограничение выходного сигнала второго ОУ и входной сигнал начинает проходить через каскады УМ.the insensitivity of the transistors of the third stage of the PA. Since the three-stage amplifier and the second op-amp are covered by deep negative feedback, the amplification factors in the regions of small and large input signals are the same, and there is no distortion in the output signals at the moment when the limitation of the output signal of the second op-amp starts and the input signal begins to pass through the stages of the amplifier.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых представлены: фиг.1 - электрическая схема бестрансформаторного транзисторного УМ; фиг.2 - передаточные характеристики заявленного бестрансформаторного транзисторного УМ и прототипа (пунктирная линия).The utility model is illustrated by drawings, in which: FIG. 1 is an electrical diagram of a transformerless transistor amplifier; figure 2 - transfer characteristics of the claimed transformerless transistor PA and prototype (dashed line).

Бестрансформаторный транзисторный УМ (фиг.1) содержит первый (входной) каскад, выполненный на первом ОУ 5, второй каскад на первом 12 и втором 15 комплементарных транзисторах средней мощности, третий (оконечный) каскад на мощных третьем 24 и четвертом 25 комплементарных транзисторах, работающих по двухтактной схеме в классе «В», а также второй ОУ 6. В первом каскаде инвертирующий вход первого ОУ 5 через резистор 2 подключен к входной шине 1 УМ, неинвертирующий вход соединен с общей шиной, а выход подключен через резисторы 7, 8 к базам, соответственно, первого транзистора n-р-n 12 и второго транзистора р-n-р 15 второго каскада. Эмиттеры этих транзисторов через резисторы 13, 14 соединены друг с другом, через резистор 19 - с общей шиной и через резистор 22 - с выходной шиной 30, а их коллекторы соединены, соответственно, через резисторы 11 и 16 с базами, соответственно, третьего транзистора р-n-р 24 и четвертого транзистора n-р-n 25 третьего каскада. Коллекторы этих транзисторов объединены и соединены с выходной шиной 30 УМ, база и эмиттер третьего транзистора р-n-р 24 подключены, соответственно, через резисторы 10 и 23 к шине 28 положительного напряжения питания, а база и эмиттер четвертого транзистора n-р-n 25 подключены, соответственно, через резисторы 17 и 26 к шине 29 отрицательного напряжения питания. Выходная шина 30 УМ через резистор 4 соединена с инвертирующим входом первого ОУ 5. Инвертирующий вход второго ОУ 6 соединен через резистор 3 с входной шиной 1 и через резистор 9 - с выходной шиной 30 УМ, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной. Выход второго ОУ 6 подключен к выходной шине 30 УМ через два последовательно соединенных резистора 18 и 27, между точкой соединения которых и общей шиной подключены последовательно соединенные первый 20 и второй 21 стабилитроны, причем первый стабилитрон 20 включен в обратном, а второй Transformerless transistor amplifier (Fig. 1) contains a first (input) stage made on the first op-amp 5, a second stage on the first 12 and second 15 complementary transistors of medium power, a third (terminal) stage on powerful third 24 and fourth 25 complementary transistors operating according to the push-pull circuit in class “B”, as well as the second op-amp 6. In the first stage, the inverting input of the first op-amp 5 is connected through the resistor 2 to the input bus 1 of the PA, the non-inverting input is connected to the common bus, and the output is connected through the resistors 7, 8 to the bases accordingly the first transistor npn 12 and the second transistor pnp 15 of the second stage. The emitters of these transistors through resistors 13, 14 are connected to each other, through resistor 19 to a common bus and through resistor 22 to output bus 30, and their collectors are connected, respectively, through resistors 11 and 16 to the bases of the third transistor p, respectively -n-p 24 and the fourth transistor n-p-n 25 of the third stage. The collectors of these transistors are combined and connected to the output bus 30 of the PA, the base and emitter of the third transistor pnp 24 are connected, respectively, through resistors 10 and 23 to the bus 28 of the positive supply voltage, and the base and emitter of the fourth transistor npn 25 are connected, respectively, through resistors 17 and 26 to the bus 29 of the negative supply voltage. The output bus 30 of the PA through a resistor 4 is connected to the inverting input of the first op-amp 5. The inverting input of the second op-amp 6 is connected through a resistor 3 to the input bus 1 and through the resistor 9 to the output bus 30 of the PA, and the non-inverting input is connected to a common bus. The output of the second op-amp 6 is connected to the output bus 30 of the PA through two series-connected resistors 18 and 27, between the connection point of which and the common bus, the first 20 and second 21 zener diodes are connected in series, the first zener diode 20 being connected in the opposite, and the second

стабилитрон 21 - в прямом направлении. Нагрузкой УМ служит резистор 31, включенный между выходной шиной 30 и общей шиной.Zener diode 21 - in the forward direction. The load of the MIND is a resistor 31 connected between the output bus 30 and the common bus.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал положительной или отрицательной полярности по шине 1 поступает через резистор 2 на инвертирующий вход первого ОУ 5 и через резистор 3 - на инвертирующий вход второго ОУ 6. Коэффициенты усиления каскадов на этих ОУ выбраны равными между собой. Для каскада на первом ОУ 5 коэффициент усиления определяется соотношением сопротивлений резисторов 2 и 4, а для каскада на втором ОУ 6 - соотношением сопротивлений резисторов 3 и 9. Выходные сигналы первого ОУ 5 через резисторы 7 и 8 поступают во второй каскад УМ на базы, соответственно первого 12 и второго 15 комплементарных транзисторов средней мощности, а выходные сигналы второго ОУ 6 через резисторы 18 и 27 - непосредственно на выходную шину 30 и выделяются на нагрузке 31. Рабочая точка первого транзистора 12 определяется соотношением сопротивлений резисторов 10 и 11, 13 и 14, 19 и 22, а рабочая точка второго транзистора 15 - соотношением сопротивлений резисторов 13 и 14, 16 и 17, 19 и 22. Выходной сигнал первого транзистора 12 через резистор 11 поступает в третий каскад на базу мощного третьего транзистора 24, а выходной сигнал второго транзистора 15 через резистор 16 - на базу мощного четвертого транзистора 25. Выходные сигналы этих транзисторов, а также выходной сигнал второго ОУ 6 поступают на выходную шину 30 и суммируются в нагрузке 31.The device operates as follows. An input signal of positive or negative polarity via bus 1 is fed through a resistor 2 to the inverting input of the first op-amp 5 and through a resistor 3 to the inverting input of the second op-amp 6. The amplification factors of the cascades on these op-amps are chosen equal to each other. For the cascade on the first op-amp 5, the gain is determined by the ratio of the resistances of the resistors 2 and 4, and for the cascade on the second op-amp 6 - the ratio of the resistances of the resistors 3 and 9. The output signals of the first op-amp 5 through the resistors 7 and 8 go to the second cascade of the amplifier to the base, respectively the first 12 and second 15 complementary transistors of medium power, and the output signals of the second op-amp 6 through resistors 18 and 27 directly to the output bus 30 and are allocated to the load 31. The operating point of the first transistor 12 is determined by the ratio of resistances resistors 10 and 11, 13 and 14, 19 and 22, and the working point of the second transistor 15 is the ratio of the resistances of the resistors 13 and 14, 16 and 17, 19 and 22. The output signal of the first transistor 12 through the resistor 11 enters the third stage to the base of the powerful the third transistor 24, and the output signal of the second transistor 15 through the resistor 16 to the base of the powerful fourth transistor 25. The output signals of these transistors, as well as the output signal of the second op-amp 6, are supplied to the output bus 30 and are summed in the load 31.

До тех пор, пока сигналы, поступающие на базы мощных третьего 24 и четвертого 25 транзисторов с выхода второго каскада, не преодолеют зоны нечувствительности вольтамперных характеристик «база-эмиттер» этих транзисторов (около 0,5 В), малый сигнал, поступивший на входную шину 1, через третий каскад УМ не проходит и на нагрузке 31 не выделяется. Поэтому малые сигналы усиливаются вторым ОУ 6 и через резисторы 18, 27 поступают в нагрузку 31. При этом напряжение с выхода ОУ 6 через резистор 18, который определяет ток стабилизации, ограничивается встречно включенными стабилитронами 20, 21. Напряжение стабилизации этих стабилитронов и соотношение сопротивлений резистора 27 и нагрузки 31 выбраны так, что напряжение, поступающее на нагрузку через второй ОУ 6, ограничивается на уровне, равном зоне нечувствительности вольтамперной характеристики мощных транзисторов третьего каскада УМ (т.е. около 0,5 В). При увеличении на шине 1 уровня входного сигнала включаются в работу каскады УМ и выходные сигналы Until the signals arriving at the base of the powerful third 24 and fourth 25 transistors from the output of the second stage overcome the deadband of the base-emitter current-voltage characteristics of these transistors (about 0.5 V), a small signal arriving at the input bus 1, UM does not pass through the third cascade and does not stand out at load 31. Therefore, small signals are amplified by the second op-amp 6 and through the resistors 18, 27 go to the load 31. In this case, the voltage from the output of the op-amp 6 through the resistor 18, which determines the stabilization current, is limited by the on-board zener diodes 20, 21. The stabilization voltage of these zener diodes and the ratio of the resistor resistances 27 and loads 31 are selected so that the voltage supplied to the load through the second op-amp 6 is limited to a level equal to the deadband of the current-voltage characteristic of the high-power transistors of the third amplifier stage (i.e., about 0.5 V). With an increase in the input signal level on bus 1, the PA cascades and output signals are included in the operation

мощных транзисторов 24, 26 поступают в нагрузку 31, где суммируются с ограниченным стабилитронами 20, 21 сигналом с выхода второго ОУ 6.powerful transistors 24, 26 enter the load 31, where they are summed with a limited zener diodes 20, 21 signal from the output of the second op-amp 6.

Поскольку схема основного трехкаскадного канала усиления и схема второго ОУ 6 охвачены глубокой отрицательной обратной связью, соответственно, через резисторы 4 и 9, то передаточная характеристика УМ (фиг.2) не имеет искажений в области перехода от начала ограничения малых к началу прохождения больших сигналов в нагрузку 31 через мощные выходные транзисторы 24, 25. Таким образом, передаточная характеристика заявленного бестрансформаторного транзисторного УМ в отличие от известных схем имеет линейный характер, что позволяет без искажений усиливать как малые, так и большие входные сигналы. Благодаря этому, функциональные возможности устройства расширяются.Since the circuit of the main three-stage amplification channel and the circuit of the second op-amp 6 are covered by deep negative feedback, respectively, through resistors 4 and 9, the transfer characteristic of the PA (Fig. 2) has no distortions in the transition from the beginning of the limitation of small to the beginning of the passage of large signals in load 31 through powerful output transistors 24, 25. Thus, the transfer characteristic of the claimed transformerless transistor amplifier, in contrast to the known schemes, is linear in nature, which allows distortion-free Lebanon both small and large input signals. Due to this, the functionality of the device is expanding.

Claims

A transformerless transistor power amplifier containing a first stage made in the form of a first operational amplifier, a second stage on complementary transistors of medium power, a third stage on powerful complementary transistors operating in a push-pull circuit in class “B”, the inverting input of the first operational amplifier being connected through a resistor to the input bus of the device, a non-inverting input is connected to a common bus, and the output is connected through resistors to the bases of the first transistor np-n and the second transistor pa r-n-r of the second stage, the emitters of which are connected through resistors to each other, with common and output buses, and their collectors are connected through resistors to the bases, respectively, of the powerful third transistor p-n-p and the powerful fourth transistor n-p -n of the third stage, the collectors of which are connected to the output bus of the device, the base and emitter of the powerful third transistor pnp are connected through resistors to the bus of the positive supply voltage, and the base and emitter of the powerful fourth transistor npn is connected to the bus of negative voltage power out the device bus through a resistor is connected to the inverting input of the first operational amplifier, characterized in that a second operational amplifier is additionally introduced, the inverting input of which is connected through the resistors to the input and output buses of the device, the non-inverting input is connected to the common bus, and the output is connected to the output bus of the device through two series-connected resistors, between the connection point of which and the common bus, the first and second zener diodes are connected in series, the first stable throne included in reverse, and the second - in the forward direction.