Поиск патентов
ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ

двухтактный усилитель мощности

Классы МПК:H03F3/20 усилители мощности, например усилители, работающие в режиме класса B или класса C
H04R25/00 Аппараты для людей с дефектами слуха
Автор(ы):, , ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Дальняя связь" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2004-07-15
публикация патента:

Изобретение относится к усилителям мощности низкой частоты и может использоваться в миниатюрных слуховых аппаратах. Технический результат заключается в экономии тока, потребляемого от источника питания в динамическом режиме, минимизация тока в режиме молчания, стабилизация выходного тока и коэффициента усиления к изменению напряжения питания. Устройство содержит два предварительных усилителя и выходной каскад, содержащий две выходные n-р-n транзисторные сборки и два ключа на р-n-р транзисторах. С помощью ключей к шине питания подключается тот из выходов усилителя, в который из коллектора выходного транзистора генерируется меньший ток. В предварительных усилителях осуществляется усиление противофазных переменных составляющих входного напряжения и компенсация постоянных составляющих выходного тока. 1 ил. двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Рисунки к патенту РФ 2274947

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Изобретение относится к усилителям мощности и может быть использовано, например, в миниатюрных слуховых аппаратах.

К основным параметрам усилителя мощности для слухового аппарата относят предельную амплитуду выходного напряжения на нагрузке, величину тока, потребляемого от источника питания 1...1,5 В, а также стабильность его параметров. Среди известных схем усилителей минимальное потребление тока и максимальную амплитуду выходного напряжения обеспечивает двухтактный усилитель [1]. Известны двухтактные усилители мощности, содержащие выходной каскад из двух n-p-n транзисторов, эмиттеры которых соединены с землей, а коллекторы подключены к катушке телефона, имеющей средний вывод [1, 2]. Максимальная амплитуда напряжения выходного сигнала Um близка к разности напряжения питания ЕП и напряжения насыщения U КН выходных транзисторов:

Um=EП -UКН

Основным недостатком такого выходного каскада является неэффективное использование катушки телефона в режиме класса В, когда противофазные токи, генерируемые выходными транзисторами, протекают через половины обмотки. В режиме класса А такая схема не экономична из-за большой постоянной составляющей выходного тока.

Известен двухтактный усилитель мощности [3], каждое плечо которого состоит из предварительного усилителя тока, в качестве которого используется эмиттерный повторитель, и выходного каскада, содержащего выходной n-p-n транзистор. Однако это устройство сохраняет работоспособность только в режиме класса А с большой постоянной составляющей тока в каждом плече. Минимальное напряжение источника питания 1,5 В предопределяется падением напряжения на двух включенных последовательно переходах база-эмиттер транзисторов. Его основные недостатки состоят в большом потреблении тока от источника питания и высоком минимальном напряжении питания.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является двухтактный усилитель мощности [4], состоящий из двух предварительных усилителей и двухтактного выходного каскада, содержащего выходной n-p-n транзистор 1 в первом плече или 2 во втором, база которого соединена с выходом предварительного усилителя ПУ1 или ПУ2, эмиттер присоединен к земле, а коллектор - к выходу усилителя и коллектору p-n-p транзистора 3 или 4, эмиттер которого подключен к шине питания, а база соединена с коллектором управляющего n-p-n транзистора 6 или 5 другого плеча и через резисторы 10, 11 или 10, 9 с базой и коллектором p-n-p транзистора другого плеча, эмиттер управляющего n-p-n транзистора подключен через резистор 7 или 8 к земле, а его база соединена с выходом предварительного усилителя. Каждый предварительный усилитель содержит первый, второй, третий, четвертый p-n-p транзисторы, пронумерованные на схеме цифрами 12, 13, 14, 15 соответственно, эмиттеры которых присоединены к шине питания, первый, второй, третий, четвертый n-p-n транзисторы, пронумерованные цифрами 16, 17, 18, 19, первый, второй, третий, четвертый резисторы, пронумерованные 20, 21, 22, 23, конденсатор 25 и усилитель напряжения 24. Прямой вход усилителя напряжения соединен с коллектором первого n-p-n транзистора и через резистор 20 с шиной питания, инверсный вход связан с источником опорного напряжения UОП, а выход соединен с базой четвертого n-p-n транзистора и через резистор 21 с базами второго, третьего n-p-n транзисторов и конденсатором 25, второй вывод которого подключен к земле. База первого n-p-n транзистора соединена с входом усилителя, его эмиттер с коллектором второго n-p-n транзистора и через конденсатор 26 с эмиттером одноименного транзистора другого плеча, эмиттер второго n-p-n транзистора присоединен к земле непосредственно, а эмиттеры третьего и четвертого через резисторы. Коллектор третьего n-p-n транзистора связан с коллектором и базой первого, а также базой второго p-n-p транзисторов, коллектор четвертого n-p-n транзистора соединен с коллектором второго и третьего, а также с базами третьего и четвертого p-n-p транзисторов, коллектор четвертого p-n-p транзистора соединен с выходом предварительного усилителя.

В статическом режиме, когда переменная составляющая входного сигнала отсутствует, ток, протекающий через выходные транзисторы 1, 2 существенно меньше максимального. Такой режим работы устанавливается с помощью автономных предварительных усилителей. В каждом из них имеется петля отрицательной обратной связи, включающая транзистор 17. Его коллекторный ток проходит через транзистор 16, создавая падение напряжения на нагрузке 20, которое передается на базу транзистора 17 через усилитель напряжения 24 и интегрирующую цепь, состоящую из резистора 21 и конденсатора 25. Напряжение на коллекторе транзистора 16 соответствует опорному напряжению UОП, поступающему на инверсный вход усилителя напряжения. Ток I1, протекающий через резистор 20 и транзисторы 16, 17, поэтому равен:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Ток I1 не зависит от напряжения на базе транзистора 16, если один из транзисторов, 16 или 17, не попадает в состояние насыщения. Диапазон изменения постоянной составляющей входного напряжения UBX находится в пределах

UБЭ +UКНдвухтактный усилитель мощности, патент № 2274947U ВХдвухтактный усилитель мощности, патент № 2274947U ОП+UБЭ-UКН,

где U БЭ и UКН - падение напряжения на переходе база-эмиттер открытого транзистора и на переходе коллектор-эмиттер в режиме насыщения.

При равенстве сопротивлений резисторов 22 и 23 коллекторные токи транзисторов 18 и 19 близки. Коллекторный ток транзистора 18 инвертируется токовым зеркалом на транзисторах 12, 13 и вычитается из коллекторного тока транзистора 19. Небольшой разностный ток Ip поступает в базы транзисторов 1, 5 выходного каскада. Он не приводит в состояние насыщения транзисторы 3 и 4, однако, усиленный в двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 1 раз транзисторами 1 и 2 вызывает утечку тока из источника питания через транзисторы 3 и 4. Величина разностного тока зависит от падения напряжения на резисторе 21, вызванного в основном базовым током транзистора 17 двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 . Соответственно, разностный ток двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 , а ток IB1, потребляемый каждым из выходов усилителя в статическом режиме работы, двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 , или, подставив значение I1 из (1):

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Переменная составляющая входного напряжения двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947U c усиливается дифференциальным усилителем, состоящим из транзисторов 16 двух предварительных усилителей, эмиттеры которых связаны между собой по переменной составляющей сигнала конденсатором 26. Коэффициент усиления этого каскада равен двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 .

Выходной сигнал усиливается усилителем 24 в КН раз и поступает на базу транзистора 19. В его нагрузке, транзисторе в диодном включении 14, появляется ток двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I П только от положительной переменной составляющей напряжения на базе транзистора 19, когда его коллекторный ток превышает ток транзистора 13. Этот ток двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I П передается через токовое зеркало 14, 15 на вход выходного каскада:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 .

Ток двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I П вызывает приращение напряжения двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947U б, которое приводит к появлению токов двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I В1 и двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I Д в коллекторах выходного 1 и управляющего 5 транзисторов выходного каскада. Ток двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I B1=двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 1·двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I П поступает с выхода усилителя в нагрузку Rн и понижает напряжение на одном выходе. Ток двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I Д усиливается транзистором 4 до величины двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 2·двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I Д и подается в противофазе на другой выход усилителя, препятствуя понижению напряжения на другом выводе нагрузки.

При положительном приращении тока на входе транзистора 1 транзистор 3 обесточивается путем подачи на его базу напряжения, имеющего положительную полярность относительно потенциала базы транзистора 4, снимаемого с делителя напряжения 10, 11. Его можно считать практически закрытым. Поэтому выходному каскаду соответствует простая эквивалентная схема, состоящая из двух выходных транзисторов 1, 2 и двух управляемых ключей на транзисторах 3, 4, замыкающих на шину питания обесточенный вывод нагрузки. Управление ключами осуществляется с помощью управляющих транзисторов 5, 6 и предварительных усилителей, которые одновременно выполняют задачу усиления сигнала.

Коэффициент усиления устройства по переменной составляющей входного напряжения двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 с учетом (1) равен:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

По сравнению с аналогами, используемыми в слуховых аппаратах, содержащих телефон со средним выводом катушки, в прототипе достигается двукратная экономия тока питания в динамическом режиме работы. Однако в статическом режиме, когда сигнал на входе отсутствует, ток, потребляемый от источника питания (2), может достигать 15% от максимальной амплитуды переменной составляющей сигнала в практических реализациях устройства. Кроме того, постоянный выходной ток (2), а также коэффициент усиления (3) не стабильны к изменению напряжения питания:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в минимизации тока, потребляемого устройством от источника питания в статическом режиме работы, а также стабилизации выходного тока и коэффициента усиления устройства при изменении напряжения питания.

Указанный результат достигается тем, что в каждом плече выходного каскада выходные транзисторы заменены на n-p-n транзисторные сборки, в которых эмиттеры, базы и коллекторы транзисторов соединены, в его состав дополнительно введены два транзистора, эмиттеры которых подключены к земле, а базы и коллекторы - к базам выходных транзисторов. В каждом предварительном усилителе четвертый p-n-p транзистор заменен на p-n-p транзисторную сборку, в его состав дополнительно введены первый, второй, третий, четвертый дополнительные n-p-n транзисторы и первый, второй, третий, четвертый дополнительные резисторы. Эмиттер второго n-p-n транзистора связан с землей через первый дополнительный резистор. База, коллектор и эмиттер второго p-n-p транзистора соединены с одноименными выводами третьего дополнительного p-n-p транзистора, выводы четвертого n-p-n транзистора соединены с одноименными выводами четвертого дополнительного n-p-n транзистора. Коллектор первого n-p-n транзистора соединен с базой первого дополнительного n-p-n транзистора, эмиттер которого связан с эмиттером одноименного n-p-n транзистора другого предварительного усилителя и через второй дополнительный резистор с землей, а его коллектор - с базой и коллектором первого дополнительного p-n-p транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, и с базой второго дополнительного p-n-p транзистора, эмиттер которого также соединен с шиной питания, а коллектор через четвертый дополнительный резистор с базой четвертого n-p-n транзистора, вторым резистором и коллектором третьего дополнительного n-p-n транзистора. Его эмиттер соединен с землей, а база через третий дополнительный резистор с шиной питания, а также с базой и коллектором второго дополнительного n-p-n транзистора, эмиттер которого соединен с землей. Сопротивление первого дополнительного резистора равно сопротивлению третьего резистора и вдвое больше сопротивления четвертого резистора, а сопротивление четвертого дополнительного резистора равно сопротивлению второго резистора.

На чертеже представлена электрическая схема двухтактного усилителя мощности.

Устройство содержит выходной каскад и два предварительных усилителя ПУ1 и ПУ2. Выходной каскад состоит из двух транзисторных сборок 1, 2, двух n-p-n транзисторов 27, 28 в диодном включении, двух управляющих n-p-n транзисторов 5, 6, эмиттеры которых подключены к земле через резисторы 7, 8, двух p-n-p транзисторов 3, 4. Резисторы 9, 10, 11 соединяют базы и коллекторы p-n-p транзисторов. В состав каждого предварительного усилителя включены p-n-p транзисторы 12, 13, 14, 15, 29, 30, 31, n-p-n транзисторы 16, 17, 18, 19, 32, 33, 34, 35, резисторы 20, 21, 22, 23, 24, 36, 37, 38. Эмиттеры транзисторов 16 предварительных усилителей соединены через конденсатор 26, эмиттеры транзисторов 32 соединены непосредственно и через резистор 24 подключены к земле.

Устройство работает следующим образом. В статическом режиме, когда переменная составляющая входного сигнала отсутствует, режим работы выходного каскада устанавливается с помощью предварительных усилителей. В каждом из них имеется петля отрицательной обратной связи, включающая транзистор 17. Его коллекторный ток проходит через транзистор 16, создавая падение напряжения на нагрузке 20, которое передается на базу транзистора 32, нагруженного на токовое зеркало, состоящее из транзисторов 30, 31. Коллекторный ток транзистора 31 задается генератором тока на основе токового зеркала 33, 34 и резистора 38, подключенного к источнику опорного напряжения. Коллекторное напряжение транзистора 31 через интегрирующую цепь, состоящую из резистора 21 и конденсатора 25, подается на базу транзистора 17. Его коллекторная цепь замыкает петлю обратной связи.

Токи IO, протекающие через транзистор 32 и последовательно включенные токовые зеркала 30, 31 и 33, 34, равны:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Вместе с током транзистора 32 другого предварительного усилителя на резисторе 24 ток IO создает падение напряжения 2 (ЕОП-UБЭ)R24/R38. Напряжение на коллекторе транзистора 16 больше напряжения на эмиттере транзистора 32 на величину UБЭ. С учетом изложенного ток, протекающий через резистор 20 и транзисторы 16, 17, равен:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Коллекторное напряжение транзистора 31 через резисторы 21 и 37 поступает на базы транзисторов 18 и 35, 19. Коллекторный ток транзистора 18 инвертируется и удваивается токовым зеркалом 12, 29, 13, а затем вычитается из коллекторного тока транзистора 19, 35. Близкое равенство этих токов достигается путем полного соответствия фрагментов схемы, один из которых выделяет постоянную, а другой пропускает переменную составляющую сигнала. Первый фрагмент состоит из резистора 21, связанного с базами транзисторов 17 и 18, имеющих в эмиттерных цепях резисторы 36 и 22, сопротивления которых равны. Второй состоит из резистора 37 и транзисторов 35 и 19, включенных параллельно. Их эмиттерная цепь подключена к земле через резистор 23, сопротивление которого равно двум параллельно включенным резисторам 36 и 22.

Небольшой разностный ток 2I2/двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 2, где двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 2 - коэффициент усиления тока базы в p-n-p транзисторе, усиливается умножителями тока в 14, 15 в m раз и 27, 1 в n раз, затем поступает на выход усилителя.

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

В динамическом режиме работы сигнал, содержащий противофазные переменные составляющие, поступает на базы транзисторов 16 предварительных усилителей, эмиттеры которых связаны между собой конденсатором 26. Коэффициент усиления каскада равен I2·R20/2двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 т. Следующий каскад усиления состоит из транзистора 32, образующего с одноименным транзистором другого предварительного усилителя дифференциальную схему, нагруженную через токовое зеркало 30, 31 на резистор 21. Этот каскад усиливает сигнал в каждом плече в IО·R21/двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 т раз. Выделенная фильтром 21, 25 постоянная составляющая напряжения преобразуется в ток транзистором 18, дважды инвертируется, удваивается и поступает на выход токового зеркала 12, 29, 13. Напряжение полного сигнала подается на базы транзисторов 35, 19, преобразуется в ток, который теряет постоянную составляющую на выходе токового зеркала, усиливается умножителями 14,15 и 27, 1 в m·n раз и поступает на выход 2 усилителя. Управляющий транзистор 5 приводит транзистор 4 в состояние насыщения, выход 1 замыкается на шину питания. Ток сигнала в нагрузке протекает от выхода 1 к выходу 2. Ток сигнала противоположной полярности поступает из предварительного усилителя 2, а ток в нагрузке усилителя от выхода 2 к выходу 1.

Общий коэффициент усиления K 2 равен:

двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947

Эффективность нового устройства в части потребления тока выходным каскадом от источника питания в статическом режиме можно оценить по отношению токов двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 взятом из (6) и (2), в устройствах, равноценных по другим параметрам, когда IK1двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947I K2, двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 2двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947m·n=40, R21двухтактный усилитель мощности, патент № 227494720 кОм, R23двухтактный усилитель мощности, патент № 22749471 кОм. Тогда двухтактный усилитель мощности, патент № 2274947 Это означает, что ток, потребляемый новым устройством, на порядок меньше тока прототипа. Стабильность выходного тока нового устройства в статическом режиме работы и стабильность коэффициента усиления в динамическом режиме к изменению напряжения источника питания вытекает из отсутствия зависимости I2 и К2 от напряжения питания в формулах (6) и (7), а также IО и I2 в (4) и (5).

По данному техническому предложению изготовлены и исследованы макетные и опытные образцы устройств по формуле изобретения. Результаты испытаний подтвердили технический результат, обеспечиваемый изобретением. Он заключается в снижении потребления тока от источника питания в режиме молчания по сравнению с аналогами, известными из каталогов слуховых аппаратов, а также стабилизации тока в режиме молчания и коэффициента усиления к изменению напряжения питания.

Источники информации

1. М.М.Эфрусси. Слуховые аппараты и аудиометры. Москва, "Энергия", 1975, с. 57-70.

2. Патент ФРГ №263750, кл. H 03 F 3/21.

3. Патент ФРГ №3229437, кл. Н 03 F 3/187.

4. Патент РФ №2115223, кл. H 03 F 3/20.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Двухтактный усилитель мощности, состоящий из двух предварительных усилителей и двухтактного выходного каскада, содержащего в каждом плече выходной n-р-n-транзистор, база которого соединена с выходом предварительного усилителя, эмиттер присоединен к "земле", а коллектор - к выходу усилителя и коллектору р-n-р-транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, а база соединена с коллектором управляющего n-р-n-транзистора другого плеча и через резисторы с базой и коллектором р-n-р-транзистора другого плеча, эмиттер управляющего n-р-n-транзистора подключен через резистор к "земле", а его база соединена с выходом предварительного усилителя, содержащего первый, второй, третий, четвертый р-n-р-транзисторы, эмиттеры которых присоединены к шине питания, первый, второй, третий, четвертый n-р-n-транзисторы, первый, второй, третий, четвертый резисторы и конденсатор, один вывод которого соединен с "землей", а другой - с базами второго и третьего n-р-n-транзисторов и вторым резистором, база первого n-р-n-транзистора соединена с входом усилителя, его коллектор через первый резистор с шиной питания, эмиттер с коллектором второго n-р-n-транзистора и через конденсатор с эмиттером первого n-р-n-транзистора другого предварительного усилителя, эмиттеры третьего и четвертого n-р-n-транзисторов связаны с "землей" через третий и четвертый резисторы, коллектор третьего n-р-n-транзистора связан с коллектором и базой первого, а также с базой второго р-n-р-транзисторов, коллектор четвертого n-р-n-транзистора соединен с коллекторами второго и третьего, а также с базами третьего и четвертого р-n-р-транзисторов, коллектор четвертого р-n-р-транзистора соединен с выходом предварительного усилителя, отличающийся тем, что в каждом плече выходного каскада выходные транзисторы заменены на n-р-n-транзисторные сборки, в которых эмиттеры, базы и коллекторы транзисторов соединены, в его состав дополнительно введены два транзистора, эмиттеры которых подключены к "земле", а базы и коллекторы - к базам выходных транзисторов, в каждом предварительном усилителе четвертый р-n-р-транзистор заменен на р-n-р-транзисторную сборку, в его состав дополнительно введены первый, второй, третий четвертый дополнительные n-р-n-транзисторы, первый, второй, третий дополнительные р-n-р-транзисторы и первый, второй, третий, четвертый дополнительные резисторы, эмиттер второго n-р-n-транзистора связан с "землей" через первый дополнительный резистор, база, коллектор и эмиттер второго р-n-р-транзистора связана с одноименными выводами третьего дополнительного р-n-р-транзистора, выводы четвертого n-р-n-транзистора соединены с одноименными выводами четвертого дополнительного n-р-n-транзистора, коллектор первого n-р-n-транзистора соединен с базой первого дополнительного n-р-n-транзистора, эмиттер которого связан с эмиттером одноименного n-р-n-транзистора другого предварительного усилителя и через второй дополнительный резистор с "землей", а его коллектор - с базой и коллектором первого дополнительного р-n-р-транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, и с базой второго дополнительного р-n-р-транзистора, эмиттер которого также соединен с шиной питания, а коллектор через четвертый дополнительный резистор с базой четвертого n-р-n-транзистора, вторым резистором и коллектором третьего дополнительного n-р-n-транзистора, эмиттер которого соединен с "землей", а база через третий дополнительный резистор с шиной питания, а также с базой и коллектором второго дополнительного n-р-n-транзистора, эмиттер которого соединен с "землей", причем сопротивление первого дополнительного резистора равно сопротивлению третьего резистора и вдвое больше сопротивления четвертого резистора, а сопротивление четвертого дополнительного резистора равно сопротивлению второго резистора.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2274947

patent-2274947.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс H03F3/20 усилители мощности, например усилители, работающие в режиме класса B или класса C

Класс H04R25/00 Аппараты для людей с дефектами слуха

Патенты РФ в классе H04R25/00:
способ одновременной активации по меньшей мере двух электродов многоканальной матрицы электродов, система кохлеарного имплантата и машиночитаемый носитель информации -  патент 2500440 (10.12.2013)
способ генерации сигналов стимуляции для имплантируемой матрицы электродов кохлеарного имплантата (варианты) и система кохлеарного имплантата -  патент 2491762 (27.08.2013)
наушник регулируемой формы -  патент 2486694 (27.06.2013)
способ воздействия на психофизиологическое состояние человека и тренажерный комплекс -  патент 2465940 (10.11.2012)
способ и система обеспечения слуховым аппаратом -  патент 2462831 (27.09.2012)
способ изготовления цепи нейростимуляции и цепь нейростимуляции -  патент 2452529 (10.06.2012)
аудиологическая система передачи -  патент 2445749 (20.03.2012)
кохлеарная протезирующая система, система стимуляции и машиночитаемый носитель информации (варианты) -  патент 2440156 (20.01.2012)
протезное устройство среднего уха -  патент 2430488 (27.09.2011)
носовой радиоинтерфейс с функцией фильтрации и ароматизации воздуха -  патент 2365065 (20.08.2009)

Наверх