RU2536378C2 - Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов - Google Patents
Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов 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
Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов в цепи нагрузки широкополосного усилителя мощности с инвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов содержит инвертирующий выходной каскад, вход которого связан со входом устройства и источником входного напряжения, цепь нагрузки, подключенную к выходу устройства, связанному с выходом инвертирующего выходного каскада. Вход инвертирующего выходного каскада связан со входом устройства и источником входного напряжения через первый дополнительный резистор, между входом и выходом устройства включены последовательно соединенные второй и третий дополнительные резисторы, общий узел которых подключен ко входу неинвертирующего корректирующего каскада, токовый выход которого соединен со входом инвертирующего выходного каскада. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.
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.
В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение широкополосные инвертирующие усилители мощности (ШУМ). Они являются основой различных аудиосистем, радиопередающих устройств, драйверов и т.п.
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].
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].
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении уровня нелинейных искажений и шумов в цепи нагрузки широкополосного усилителя мощности с инвертирующим выходным каскадом.
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.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлен пример практической реализации инвертирующего выходного каскада 1.
На фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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):
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.
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.
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.
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.
При малых значениях сопротивления резистора R0=R6=50 Ом (фиг.9) также реализуется подавление шумов в базовой схеме (фиг.10, 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 ШУМ позволяет повысить максимальную скорость нарастания выходного напряжения устройства в целом при малых значениях ϑвых в выходном инвертирующем каскаде 1.
Источники информации
1. Патент RU 2274946 fig.1b.
2. Патент US 5.512.856.
3. Патент US 5.237.526.
4. Патент US 6.707.339.
5. Патентная заявка US 2006/0087369 fig.6.
6. Патентная заявка US 2005/0231277 fig.1.
7. Патент US 4.215.317.
8. Патентная заявка US 2005/0024141.
9. Патент US 6.127.888.
10. Патент 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.
12. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001, стр.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.
14. 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 с малым уровнем нелинейных искажений и шумов, содержащий 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), отличающийся тем, что 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 неинвертирующего корректирующего каскада (10), токовый выход которого (11) соединен со входом инвертирующего выходного каскада (1).
2. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов по п.1, отличающийся тем, что в качестве неинвертирующего корректирующего каскада (10) используется преобразователь «напряжение-ток» с высоким входным и высоким выходным сопротивлениями.
3. Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов по п.1, отличающийся тем, что в качестве неинвертирующего корректирующего каскада (10) используется усилитель тока с низким входным и высоким выходным сопротивлениями.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013114684/08A RU2536378C2 (ru) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013114684/08A RU2536378C2 (ru) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013114684A RU2013114684A (ru) | 2014-10-10 |
| RU2536378C2 true RU2536378C2 (ru) | 2014-12-20 |
Family
ID=53286398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013114684/08A RU2536378C2 (ru) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2536378C2 (ru) |
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 (ru) * | 2002-10-07 | 2005-02-10 | Томский Государственный Университет Систем Управления И Радиоэлектроники (Тусур) | Широкополосный усилитель |
| RU2436227C1 (ru) * | 2010-11-24 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный усилитель |
-
2013
- 2013-04-01 RU RU2013114684/08A patent/RU2536378C2/ru 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 (ru) * | 2002-10-07 | 2005-02-10 | Томский Государственный Университет Систем Управления И Радиоэлектроники (Тусур) | Широкополосный усилитель |
| RU2436227C1 (ru) * | 2010-11-24 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный усилитель |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013114684A (ru) | 2014-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2009545749A (ja) | 拡張レンジｒｍｓ−ｄｃ変換器 | |
| 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 (zh) | 基于背景噪声消除的光电二极管电路及激光测距系统 | |
| RU2536378C2 (ru) | Широкополосный усилитель мощности с малым уровнем нелинейных искажений и шумов | |
| Tsirimokou et al. | Tinnitus detector realization using Sinh-Domain circuits | |
| RU2010118675A (ru) | Способ генерации высокочастотных сигналов и устройство его реализации | |
| 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 (ru) | Широкополосный усилитель мощности | |
| Bhardwaj et al. | Electronically tunable compact inductance simulator with experimental verification | |
| RU2534972C1 (ru) | Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов | |
| RU2331964C1 (ru) | Преобразователь "напряжение-ток" | |
| RU2579127C1 (ru) | Широкополосный преобразователь n-токовых входных сигналов в напряжение на основе операционного усилителя | |
| 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 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала | |
| 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 |