185539. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés DC csatolású csúszó munkapontú teljesítményerősítő létrehozására
1 2 A találmány tárgya: DC csatolású csúszó munkapontú teljesítmény erősítő, melyben a találmány a minőséget és gazdaságos megvalósítást döntően befolyásoló munkapont-szabályzó fokozat kialakításában, továbbá az ennek következtében megvalósítható, egy feszültség-erősítő fokozattal előállított erősítésű teljesítmény erősítő kialakításában van. Az így kialakított ismert erősítő blokksémája az 1. ábrán látható. Az ábra jelöléseivel: 1/a bemeneti fokozat a visszacsatolási 1. ponttal; 1/b feszültség-erősítő fokozat áramgenerátoros kimeneti 2, 3 pontokkal; 1/c munkapont-szabályzó fokozat kimeneti 4, 5 pontokkal; 1/d komplementer Darlington teljesítmény erősítő fokozat teljesítmény kimeneti 6 ponttal. Irodalomból ismert [1], [2], [3], [4], hogy a minőségi erősítők fejlődésében az utóbbi évek jelentős haladást hoztak. A korábbi minőségi jellemzők mellett — harmonikus és intermodulációs torzítás — a tanziens intermodulációs torzítás — TTM — kerül előtérbe. A hagyományos tervezésű erősítő — nem azonos DC — AC erősítés, nagy hurokerősítés, ezen belül sávszűkítő kompenzálás és a stbilitási feltételek miatt a nyilthurkú erősítés hangfrekvenciás sávba, vagy ez alá helyezett domináns pólusa valósággal „termeli” a TIM-et. Ilyen felépítésű erősítőkben a pólusok gondos elosztása — LEAD kompenzálással, s a fokozatok erősítésének csökkentésével — lehetővé teszi a TIM kiküszöbölését, de az iparnak ez a megoldás [1] nagy nehézségeket okoz, ezért új utakat kerestek, és találtak. Valamennyi torzításfajta igen alacsony szintre szorításának lehetőségét és gazdaságos kialakíthatóságát a csúszó munkapontú teljesítmény erősítők létrehozásával valósították meg. A csúszó munkapontot előállító fokozat az áramgenerátoros kimeneti 2., 3. pontok között az optimális munkaponti feszültséget hozza létre. Azért szükséges, mert fix munkaponti feszültség esetén a nyitó irányban vezérelt Darlington tranzisztorok bázisemitter feszültsége megnő — a másiké elfogy —, így a vezérléshez (a bázis 2., 3. pontjához) viszonyítva egy nem lineáris, ellenfazisú jel áll elő a teljesítmény erősítő 6. kimeneti pontján, mely azon torzítást okoz. A munkapont megfelelő utánhúzásával ez a torzítás megszüntethető. Elvi határeset e jel — továbbiakban szabályzó feszültség — teljes, azaz 100%-os kompenzálása a kimeneti 6 ponton. Ez minden pillanatnyi vezérlőjel amplitúdóra teljesen kivezérelt „A” osztályú üzemmódot, nullára csökkentett torzítást és kimenő impedanciát jelent. A munkapont szabályzással elérhető minőség tehét attól függ, hogy az utánhúzás mennyire lineárisan követi a szabályzó feszültséget, mennyire közelíti meg a 100%-ot, és mekkora frekvenciasávban képes frekvencia-független működésre. A 2. ábra egy — a hazai irodalomból [6] is ismert — a hangfrekvenciás sáv jórészén extrém, alacsony harmonikus torzítású (0,005%) integrált teljesítmény erősítő részlete. Az 1. ábra jelölése szerinti 2., 3. pontok között, a 6. pontról vezérelve állít elő munkapont utánhúzó feszültséget. A 6. ponton a kimenő árammal generált szabályozó feszültség komplementer emitterkövetőkre jut, s azok egyikét az emitterköri kondenzátor pillanatnyi feszültségtartó hatása miatt félperiódusonként zárja. A működő oldal a szabályzó feszültséggel arányosan csökkenti 2 az emittereikkel összekapcsolt Darlington munkapontbeállító tranzisztorpár áramát, ami az áramgenerétoros 2., 3. pontok közötti munkaponti feszültséget megnöveli. Hátránya, hogy a frekvencia növelésével mindkét kon- 5 denzátor a szabályozó feszültség burkoló görbéjét kezdi követni, ez a túlszabályozás a teljesítményfokozat-áramának nem kívánt növekedésére, a torzítás emelkedésére, sőt gerjedékenységre vezet; ezek behatárolása további alkatrészek felhasználásán túl az aktív és passzív elemek 1Q szórásának igen kis értéken tartását kívánja meg. A kapcsolás csak szigorú technológiai feltételek mellett bizonyult megvalósíthatónak. A 3. ábra egy másik — az irodalomból [5] ismert —, Tanaka által szabadalmaztatott megoldást mutat be, mely 15 egyszerű és mentes a fenti problémáktól. Hátránya a kettős soros diódákkal megvalósított kis impedanciás osztók áramának nem lineáris feszültségfüggése, és, hogy ez az áram a 6. ponton a szabályzó feszültség maradékával nem kompenzálódik, s a visszacsatoláson át az 1/a bemeneti 2Q fokozat 1. pontján az erősítőbe jutva növeli a torzítást. A 4. ábra a találmány szerinti munkapont szabályzó fokozat kapcsolási elrendezését mutatja. Fentiekhez hasonlóan az 1. ábra szerinti blokkséma 2—3. pontjai között használható. A munkaponti feszültség kimenő áramfüggő 2 5 utánhúzása a Ti — T2 komplementer tranzisztorok ármának vezérlése útján áll elő. E komplementer tranzisztorok emitterei Z nyugalmi munkapont beállító és hőstabilizáló elemen át egymáshoz, kollektorai a 2. és 3. pontokra vannak kötve; ide kapcsolódnak a földelt kollektorú 30 Tj — T4 komplementer tranzisztorok bázisa. Emitterük a 4—5. pontra csatlakozik. Ezek e fokozat alacsony impedanciás kimeneti pontjai, melyeket a Ti—T2 komplementer tranzisztorok bázisaival kis értékű Rí—R2 ellenállások kötnek össze, nagy negatív visszacsatolást eredmé- 35 nyezve. Ugyancsak a 4—5. pontok között helyezkednek el a T5 — Ts komplementer emitterkövetők, R3—R* emitter ellenállásaikkal. E tranzisztorok bázisai a 6. pontra vannak kötve, melyen a teljesítmény fokozat kimenő árama a szabályzó feszültséget előállítja; emittereik D,—D2 40 diódákkal vannak a Ti — T2 komplementer transzisztorok bázisával összekötve, ezek félperiódusonként zámak-nyitnak, minek következtében a bázispontok egyike a 4—5 pontok potenciáljára, másika az éppen nyitott diódán át az ahhoz kapcsolt emitteren megjelenő szabályzó feszült- 45 ségre kerül. Ennek következtében a Ti — T2 komplementer tranzisztorok árama csökken, a 2—3. pontok közötti, és vele a 4—5. pontok közötti feszültség az utánhúzás méretezéssel beállított értékére nő. Az 5. ábrán példaként bemutatunk egy — a találmány 50 szerint — megépített DC csatolású csúszó munkapontú teljesítmény erősítőt túláram és hővédelem nélkül. Az egyes fokozatok megoldásai önmagukban ismertek, de az 1/c munkapont-szabályzó fokozat alkalmazása nélkül velük jó hatásfokú minőségi teljesítmény erősítő nem való- 55 sítható meg. A találmány a munkapont-szabályzó fokozat alkalmazásával úgy valósul meg, hogy az 1/a bemeneti fokozat csak impedancia transzformálást (áramerősítést) végez, igen magas frekvenciájú pólusokkal, az 1/b feszültségerősítést végez, az erősítő domináns pólusát adó 60 törésponti frekvenciával, végül az 1/d komplementer Darlington teljesítmény erősítő fokozattal épített csúszó munkaponttal „szinkron A” osztályban működő teljesítmény fokozat MHz körüli pólussal vannak összeépítve, az Rt terhelésről 20 dB körüli hurokerősítést eredményező 65 visszacsatolás az 1/a bemeneti fokozatba van visszavezet-185 539
