RU2536378C2 - Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise - Google Patents
Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise Download PDFInfo
- Publication number
- RU2536378C2 RU2536378C2 RU2013114684/08A RU2013114684A RU2536378C2 RU 2536378 C2 RU2536378 C2 RU 2536378C2 RU 2013114684/08 A RU2013114684/08 A RU 2013114684/08A RU 2013114684 A RU2013114684 A RU 2013114684A RU 2536378 C2 RU2536378 C2 RU 2536378C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- stage
- inverting
- noise
- Prior art date
Links
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 241001198066 Solanum aethiopicum Species 0.000 description 1
- 235000018650 Solanum gilo Nutrition 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов по мощности, в структурах буферных усилителей и выходных каскадов различного функционального назначения.The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals in power, in the structures of buffer amplifiers and output stages for various functional purposes.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные инвертирующие усилители мощности (ШУМ). Они являются основой различных аудиосистем, радиопередающих устройств, драйверов и т.п.In modern electronic equipment, broadband inverting power amplifiers (SHUM) are used. They are the basis of various audio systems, radio transmitting devices, drivers, etc.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является классическая схема широкополосного усилителя мощности фиг.1, представленная в патенте US 5.237.526 fig.1b, 1a, архитектура которой присутствует также в большом числе других патентов и монографий, например [1-14]. Во многих практических случаях выходной каскад ШУМ реализуется по схеме с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (фиг.2), причем такое решение ШУМ является классическим для его многих применений [10-14].The closest in technical essence to the claimed technical solution is the classical scheme of the broadband power amplifier of figure 1, presented in patent US 5.237.526 fig.1b, 1a, the architecture of which is also present in a large number of other patents and monographs, for example [1-14] . In many practical cases, the output noise stage is implemented according to a circuit with parallel negative voltage feedback (Fig. 2), and this noise solution is classic for many of its applications [10-14].
Существенный недостаток известного ШУМ фиг.1 (фиг.2) состоит в том, что он имеет повышенный уровень нелинейных искажений, который характеризуется коэффициентом гармоник. Данный недостаток является следствием нелинейных режимов работы транзисторов выходного каскада ШУМ, а также влияния на нелинейные искажения синусоидального сигнала конечных значений максимальной скорости нарастания выходного напряжения ШУМ [11, 13, 14].A significant drawback of the known NOISE of FIG. 1 (FIG. 2) is that it has an increased level of non-linear distortion, which is characterized by a harmonic coefficient. This drawback is a consequence of the nonlinear operation modes of the transformers of the noise stage, as well as the influence on the nonlinear distortions of the sinusoidal signal of the final values of the maximum slew rate of the output noise voltage [11, 13, 14].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов в цепи нагрузки широкополосного усилителя мощности с инвертирующим выходным каскадом.The main objective of the invention is to reduce the level of nonlinear distortion and noise in the load circuit of a broadband power amplifier with an inverting output stage.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе мощности фиг.1, содержащем инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3, цепь нагрузки 4, подключенную к выходу 5 устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - вход инвертирующего выходного каскада 1 связан со входом 2 устройства и источником входного напряжения 3 через первый 6 дополнительный резистор, между входом 2 и выходом 5 устройства включены последовательно соединенные второй 7 и третий 8 дополнительные резисторы, общий узел которых 9 подключен ко входу корректирующего каскада 10, токовый выход которого 11 соединен со входом инвертирующего выходного каскада 1.The problem is solved in that in the broadband power amplifier of figure 1, containing an inverting
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлен пример практической реализации инвертирующего выходного каскада 1.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents an example of a practical implementation of the inverting
На фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.Figure 3 shows a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.4 показана схема заявляемого устройства фиг.3 для моделирования эффекта коррекции нелинейных искажений из-за ограниченной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего выходного каскада 1. При этом инвертирующий выходной каскад 1 реализован здесь по традиционной схеме на операционном усилителе с параллельной обратной связью по напряжению на элементах 12-17.Figure 4 shows a diagram of the inventive device of figure 3 for modeling the effect of correcting non-linear distortions due to the limited slew rate of the output voltage of the inverting
На фиг.5 представлена схема широкополосного усилителя мощности фиг.3 в среде PSpice при сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм, а также при частоте входного сигнала fc=1 кГц, uвх=100 мВ и напряжении шума (uош), моделирующего нелинейные искажения: uош=10 мВ, fш=5 кГц.Fig. 5 shows a diagram of the broadband power amplifier of Fig. 3 in a PSpice environment with the resistance of the first 6 additional resistor R0 = R6 = 1 kOhm, as well as at the input signal frequency f c = 1 kHz, u in = 100 mV and noise voltage (u OSH ) simulating nonlinear distortion: u OSH = 10 mV, f W = 5 kHz.
На фиг.6 показана зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.5 от частоты при крутизне преобразователя 10 «напряжение-ток» S=0 (корректирующего каскада 10) и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм.Figure 6 shows the dependence of the spectrum of the output voltage of the noise of Figure 5 on the frequency with the slope of the voltage-current converter 10 S = 0 (correction stage 10) and the resistance of the first 6 additional resistor R0 = R6 = 1 kOhm.
На фиг.7 приведена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.5 от частоты при крутизне преобразователя 10 «напряжение-ток» (корректирующего каскада 10) S=1 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора RO=R6=1 кОм.Figure 7 shows the dependence of the spectrum of the output voltage of the noise of Figure 5 on the frequency with the slope of the voltage-current converter 10 (correction stage 10) S = 1 cm and the resistance of the first 6 additional resistor RO = R6 = 1 kOhm.
На фиг.8 представлена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ рис.4 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=30 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=1 кОм.On Fig presents the dependence of the spectrum of the output voltage of the noise in Fig. 4 from the frequency with the slope of the voltage-current Converter 10 (correction stage 10) S = 30 cm and the resistance of the first 6 additional resistor R0 = R6 = 1 kOhm.
На фиг.9 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде PSpice при сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом, uвx=100 мВ, fc=1 кГц, uош=10 мВ, fш=5 кГц.9 is a diagram of the claimed
На фиг.10 приведена зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.9 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=0 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом.Figure 10 shows the dependence of the spectrum of the output voltage of the noise of Figure 9 on the frequency when the voltage-current converter 10 (correction stage 10) S = 0 cm and the resistance of the first 6 additional resistor R0 = R6 = 50 Ohms.
На фиг.11 показана зависимость спектра выходных напряжений ШУМ фиг.9 от частоты при крутизне преобразователя «напряжение-ток» 10 (корректирующего каскада 10) S=30 См и сопротивлении первого 6 дополнительного резистора R0=R6=50 Ом.Figure 11 shows the dependence of the spectrum of the output voltage of the noise of Figure 9 on the frequency when the voltage-current converter 10 (correction stage 10) S = 30 cm and the resistance of the first 6 additional resistor R0 = R6 = 50 Ohms.
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов (фиг.2) содержит инвертирующий выходной каскад 1, вход которого связан со входом устройства 2 и источником входного напряжения 3, цепь нагрузки 4, подключенную к выходу 5 устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада 1. Вход инвертирующего выходного каскада 1 связан со входом 2 устройства и источником входного напряжения 3 через первый 6 дополнительный резистор, между входом 2 и выходом 5 устройства включены последовательно соединенные второй 7 и третий 8 дополнительные резисторы, общий узел которых 9 подключен ко входу корректирующего каскада 10, токовый выход которого 11 соединен со входом инвертирующего выходного каскада 1.A broadband power amplifier with a low level of nonlinear distortion and noise (Fig. 2) contains an inverting
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве корректирующего каскада 10 может использоваться преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.In Fig. 3, in accordance with
На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве корректирующего каскада 10 может использоваться усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.In figure 3, in accordance with
На фиг.4 инвертирующий выходной каскад 1 реализован по схеме с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению (резисторы 12, 13) на усилительных каскадах 14, 15 и элементах частотной коррекции 16, 17, определяющих максимальную скорость нарастания выходного напряжения выходного каскада 1 (ϑвых).In Fig. 4, the inverting
Рассмотрим факторы, определяющие уровень нелинейных искажений и шумов в заявляемом устройстве фиг.3, в котором нежелательные спектральные составляющие, обусловленные нелинейностями в инвертирующем выходном каскаде 1, моделируются эквивалентным источником нелинейных искажений uош.Consider the factors that determine the level of nonlinear distortion and noise in the inventive device of figure 3, in which the unwanted spectral components due to nonlinearities in the inverting
Физический смысл эффекта подавления шумов в усилителе мощности фиг.3 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 fш=5 кГц):The physical meaning of the noise suppression effect in the power amplifier of Fig. 3 is connected, firstly, with the allocation of an error signal u 9 ~ u os at
При этом следует заметить, что в узле 9 отсутствует входной усиливаемый сигнал uвx с рассматриваемой в данном случае частотой 1 кГц. Это обусловлено полным взаимным вычитанием в узле 9 двух его противофазных составляющих uвх и uвых=-uвх.It should be noted that in
Выделенная таким образом ошибка u9≈uош/2 вводится (благодаря резистору 6) во входную цепь выходного каскада 1 и корректирующего каскада 10 с высоким выходным сопротивлением и компенсирует напряжение uош, генерируемое этим выходным каскадом.Dedicated thus error u 9 ≈u oui / 2 is introduced (due to resistor 6) in the input circuit of the
Рассмотрим далее результаты моделирования. При нулевой крутизне передачи сигнала в корректирующем каскаде 10 (S10=0) напряжение шумов и спектральных составляющих нелинейных искажений uош полностью передается в нагрузку 4. Об этом свидетельствует соотношение амплитуд гармоник на выходе 5 (фиг.6): выходное напряжение с частотой 5 кГц имеет амплитуду uвых=10 мВ.Let us further consider the simulation results. With a zero slope of the signal transmission in the correcting stage 10 (S 10 = 0), the voltage of the noise and the spectral components of non-linear distortion ush is completely transferred to the
При введении цепи коррекции 10, имеющей крутизну S10=1 См, амплитуда выходной гармоники устройства фиг.2 с частотой 5 кГц уменьшается в 500 раз с 10 мВ до 20 мкВ (см. фиг.7). В большинстве случаев этого подавления uош достаточно для многих применений. Дальнейшее увеличение крутизны S10 обеспечивает еще более глубокое ослабление нелинейных искажений и шумов (фиг.8). Однако это не всегда целесообразно.With the introduction of a
При малых значениях сопротивления резистора R0=R6=50 Ом (фиг.9) также реализуется подавление шумов в базовой схеме (фиг.10, фиг.11).With small values of the resistor resistance R0 = R6 = 50 Ohms (Fig. 9), noise suppression is also implemented in the basic circuit (Fig. 10, Fig. 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 ШУМ позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения устройства в целом при малых значениях ϑвых в выходном инвертирующем каскаде 1.Thus, the claimed device has significant advantages in comparison with the prototype in the level of suppression of nonlinear distortion and noise. In addition, as the simulation shows, the proposed noise control structure makes it possible to increase the maximum slew rate of the output voltage of the device as a whole with small values of ϑ output in the output inverting
Источники информацииInformation sources
1. Патент RU 2274946 fig.1b.1. Patent RU 2274946 fig.1b.
2. Патент US 5.512.856.2. Patent US 5.512.856.
3. Патент US 5.237.526.3. Patent US 5.237.526.
4. Патент US 6.707.339.4. Patent US 6.707.339.
5. Патентная заявка US 2006/0087369 fig.6.5. Patent application US 2006/0087369 fig.6.
6. Патентная заявка US 2005/0231277 fig.1.6. Patent application US 2005/0231277 fig. 1.
7. Патент US 4.215.317.7. Patent US 4.215.317.
8. Патентная заявка US 2005/0024141.8. Patent application US 2005/0024141.
9. Патент US 6.127.888.9. Patent US 6.127.888.
10. Патент US 5.745.587.10. Patent US 5.745.587.
11. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е. Полонников. - М., 1983. - стр.141, рис.4.14.11. Polonnikov D.E. Operational amplifiers: Principles of construction, theory, circuitry [Text] / D.E. Polonnikov. - M., 1983. - p. 141, Fig. 4.14.
12. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.259.12. Operational amplifiers and comparators. - M .: Publishing house "Dodeka-XXI", 2001, p. 259.
13. 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.13. Nonlinear active correction in precision analog microcircuits: monograph / N.N. Prokopenko. - Rostov-on-Don: Publishing House of the North Caucasian Scientific Center of Higher Education, 2000. - 222 p.
14. Архитектура и схемотехника быстродействующих операционных усилителей: монография / Н.Н. Прокопенко, А.С.Будяков. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2006. - 231 с.14. Architecture and circuitry of high-speed operational amplifiers: monograph / N.N. Prokopenko, A.S. Budyakov. - Mines: Publishing House of SRUES, 2006. - 231 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013114684/08A RU2536378C2 (en) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013114684/08A RU2536378C2 (en) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013114684A RU2013114684A (en) | 2014-10-10 |
RU2536378C2 true RU2536378C2 (en) | 2014-12-20 |
Family
ID=53286398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013114684/08A RU2536378C2 (en) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2536378C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1245186A (en) * | 1917-04-12 | 1917-11-06 | William Franklin Brothers | Balanced crane or derrick. |
US5237526A (en) * | 1991-08-29 | 1993-08-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | High speed electronic analog computers using low-gain amplifiers |
US5241283A (en) * | 1992-07-30 | 1993-08-31 | Echelon Corporation | Drive amplifier for power line communications |
RU2246173C2 (en) * | 2002-10-07 | 2005-02-10 | Томский Государственный Университет Систем Управления И Радиоэлектроники (Тусур) | Broadband amplifier |
RU2436227C1 (en) * | 2010-11-24 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
-
2013
- 2013-04-01 RU RU2013114684/08A patent/RU2536378C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1245186A (en) * | 1917-04-12 | 1917-11-06 | William Franklin Brothers | Balanced crane or derrick. |
US5237526A (en) * | 1991-08-29 | 1993-08-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | High speed electronic analog computers using low-gain amplifiers |
US5241283A (en) * | 1992-07-30 | 1993-08-31 | Echelon Corporation | Drive amplifier for power line communications |
RU2246173C2 (en) * | 2002-10-07 | 2005-02-10 | Томский Государственный Университет Систем Управления И Радиоэлектроники (Тусур) | Broadband amplifier |
RU2436227C1 (en) * | 2010-11-24 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Broadband amplifier |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013114684A (en) | 2014-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2009545749A (en) | Extended range RMS-DC converter | |
Kafe et al. | Realization of companding filters with large time-constants for biomedical applications | |
Pandey et al. | Generalised operational floating current conveyor based instrumentation amplifier | |
Kasimis et al. | 1.2 V BiCMOS sinh-domain filters | |
Prasad et al. | Realization of new electronically controllable grounded and floating simulated inductance circuits using voltage differencing differential input buffered amplifiers | |
Ranjan et al. | Active comb filter using operational transconductance amplifier | |
Gupta et al. | Voltage differencing buffered amplifier based voltage mode four quadrant analog multiplier and its applications | |
CN104359455A (en) | Photodiode circuit based on background noise elimination and laser ranging system | |
RU2536378C2 (en) | Broadband power amplifier with low level of nonlinear distortions and noise | |
Tsirimokou et al. | Tinnitus detector realization using Sinh-Domain circuits | |
RU2010118675A (en) | METHOD FOR GENERATING HIGH FREQUENCY SIGNALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
Kovačević et al. | Class D audio amplifier with reduced distortion | |
Roy et al. | A new method of realization of four-quadrant analog multiplier using operational amplifiers and MOSFETs | |
US20120139609A1 (en) | Integrator | |
RU2527202C1 (en) | Broadband power amplifier | |
Bhardwaj et al. | Electronically tunable compact inductance simulator with experimental verification | |
RU2534972C1 (en) | Broadband non-inverting amplifier with low non-linear noise and harmonic distortion | |
RU2331964C1 (en) | Voltage-to-current converter | |
RU2579127C1 (en) | Operational amplifier based broadband converter for converting n-current input signals into voltage | |
Bellili et al. | Low power class D audio amplifier with high performance and high efficiency | |
Khanday et al. | A low-voltage and low-power sinh-domain universal biquadratic filter for low-frequency applications | |
RU2292636C1 (en) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation | |
Spinelli | High input impedance DC servo loop circuit | |
Kardoulaki et al. | A simulation study of high‐order CMOS hyperbolic‐sine filters | |
Koksal | Realization of a general all‐pole current transfer function by using CBTA |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150402 |