Szerokopasmowy wzmacniacz wysokonapięciowy. Przedsiębiorstwo Aparatury Elektronicznej ''Radiotechnika'', Wrocław, PL (43) Z głoszenie ogłoszono:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA ( 12) OPIS PATENTOWY (19) PL(1) POLSKA (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: Urząd Patentow y (2)Data zgłoszenia: R zeczypospolitej Polskiej (51) IntCl5: G01R 13/22 Szerokopasmowy wzmacniacz wysokonapięciowy (73) U praw niony z patentu: Przedsiębiorstwo Aparatury Elektronicznej ''Radiotechnika'', Wrocław, PL (43) Z głoszenie ogłoszono: B U P 05/90 (72)T w órca w ynalazku: Marek Dras, Wrocław, PL (45) O udzieleniu p atentu ogłoszono: W U P 05/92 PL B1 Szerokopasmowy wzmacniacz wysokonapięciowy posiadający różnicowy stopień wejściowy odwracający fazę, (57) tranzystory sterujące stopnie końcowe, diodowy ogranicznik napięcia, komplementarne wysokonapięciowe stopnie wyjściowe każdy objęty rezystorami i równoległymi do nich kondensatorami tworzących obwody sprzężeń zwrotnych oraz posiadający przełączany układ ograniczenia dynamiki wzmacniacza, znamienny tym, że do kolektora pierwszego tranzystora (4) sterującego dołączona jest anodą pierwsza dioda (11) dwudiodowego ogranicznika (10) napięcia 1 wyjściem tego ogranicznika a dodatkowo pierwsze wyjście (14) ogranicznika (10) połączone jest poprzez pierwszy rezystor (9) ograniczający z kolektorem pierwszego tranzystora (4) sterującego i z wejściem pierwszego wzmacniacza (15) przyśpieszającego a drugie wyjście (21) ogranicznika napięcia połączone jest poprzez drugi rezystor (12) ograniczający z kolektorem drugiego tranzystora (5) sterującego aż wejście drugiego wzmacniacza (22) przyśpieszającego a wyjście pierwszego wzmacniacza (15) przyśpieszającego połączone jest poprzez kondensator (20) i kabel (17) koncentryczny z wejściem (18) pierwszego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia (19) wyjściowego a wyjście drugiego wzmacniacza (22) przyśpieszającego połączone jest poprzez kondensator (27) i kabel (24) koncentryczny z wejściem (25) drugiego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia (26) wyjściowego, natomiast dodatkowe wejścia (43) i (44) sterujące obu wzmacniaczy (15) i (22) przyspieszających są połączone z zależnym częstotliwościowo układem (8) polaryzującym, którego wejście (7) połączone jest z jednym z wyjść różnicowego stopnia (1) wejściowego a odpowiednio do punktu (36, 40) środkowego gałęzi szeregowych rezystorów (30, 31, 34, 35) sprzężenia zwrotnego obejmującego komplementarny stopień (19, 26) wyjściowy dołączony jest rezystor (37, 39) równoważący połączony z wejściem wzmacniacza (38) równoważącego, którego wyjście połączone jest poprzez nieliniowy sum ator (41) z połączonymi ze sobą bazami tranzystorów (4) i (5) sterujących.

2 SZEROKOPASMOWY WZMACNIACZ WYSOKONAPIĘCIOWY Z a s t r z e ż e n i e p a t e n t o w e Szerokopasmowy wzmacniacz wysokonapięciowy posiadający różnicowy stopień wejściowy odwracający fazę, tranzystory sterujące stopnie końcowe, diodowy ogranicznik napięcia, komplementarne wysokonapięciowe stopnie wyjściowe, każdy objęty rezystorami i równoległymi do nich kondensatorami tworzących obwody sprzężeń zwrotnych oraz posiadający przełączany układ ograniczenia dynamiki wzmacniacza, z n a m i e n n y t y m, ż e do kolektora pierwszego tranzystora (4) sterującego dołączona jest anodą pierwsza dioda (11) dwudiodowego ogranicznika (10) napięcia połączona katodą z drugim (21) wyjściem tego ogranicznika (10) napięcia, a druga dioda (13) tego ogranicznika (10) napięcia połączona jest anodą z kolektorem drugiego tranzystora (5) sterującego i katodą z pierwszym (14) wyjściem tego ogranicznika a dodatkowo pierwsze wyjście (14) ogranicznika (10) połączone jest poprzez pierwszy rezystor (9) ograniczający z kolektorem pierwszego tranzystora (4) sterującego i z wejściem pierwszego wzmacniacza (15) przyśpieszającego a drugie wyjście (21) ogranicznika napięcia połączone jest poprzez drugi rezystor (12) ograniczający z kolektorem drugiego tranzystora (5) sterującego iż wejście drugiego wzmacniacza (22) przyśpieszającego a wyjście pierwszego wzmacniacza (15) przyśpieszającego połączone jest poprzez kondensator (20) i kabel (17) koncentryczny z wejściem (18) pierwszego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia (19) wyjściowego a wyjście drugiego wzmacniacza (22) przyśpieszającego połączone jest poprzez kondensator (27) i kabel (24) koncentryczny z wejściem (25) drugiego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia (26) wyjściowego, natomiast dodatkowe wejścia (43) i (44) sterujące obu wzmacniaczy (15) i (22) przyśpieszających są połączone z zależnym częstotliwościowo układem (8) polaryzującym, którego wejście (7) połączone jest z jednym z wyjść różnicowego stopnia (1) wejściowego a odpowiednio do punktu (36, 40) środkowego gałęzi szeregowych rezystorów (30, 31, 34, 35) sprzężenia zwrotnego obejmującego komplementarny stopień (19, 26) wyjściowy dołączony jest rezystor (37, 39) równoważący połączony z wejściem wzmacniacza (38) równoważącego, którego wyjście połączone jest poprzez nieliniowy sumator (41) z połączonymi ze sobą bazami tranzystorów (4) i (5) sterujących. * * * Przedmiotem wynalazku jest szerokopasmowy wzmacniacz wysokonapięciowy. Układ ten znajduje zastosowanie jako wzmacniacz odchylania poziomego do szerokopasmowego oscyloskopu elektronicznego mającego najszybsze współczynniki czasu rzędu kilku nanosekund na działkę rozciągu poziomu oraz mającego układ wyświetlania dodatkowych znaków alfanumerycznych na ekranie. Z książki J. Rydzewski "Oscyloskop elektroniczny" WKiŁ Warszawa 1982, strona znane są wysokonapięciowe wzmacniacze mające na wejściu różnicowy stopień odwracający fazę przenoszonego sygnału. Sygnały z tego stopnia poprzez ogranicznik napięcia sterują komplementarny wysokonapięciowy stopień wyjściowy dający dostatecznie duże napięcie by w pełni wysterować lampę oscyloskopową. Ogranicznik napięcia ogranicza stopień końcowy przed szkodliwym nasyceniem się w przypadku ekspansji wzmocnienia. W tym ograniczniku stosowane są cztery diody przy czym dwie z nich są szeregowo włączone w obwód przenoszący sygnał wzmacniaczy co powoduje nieliniowość dynamiki układu. Ponadto cały wzmacniacz musi być fizycznie zrealizowany w jednym miejscu gdyż brak w nim stopni o małej impedancji by móc w tym miejscu rozdzielić układ. Korzystnym w oscyloskopie jest umieszczenie stopni wejściowych blisko generatora podstawy czasu, a stopni końcowych tuż przy zaciskach płytek odchylających lampy oscyloskopowej. Unika się wtedy wzajemnych zakłóceń układów. Szerokopasmowość stopnia koń-

3 cowego zapewniają gałęzie sprzężenia zwrotnego obejmującego każdy ze stopni końcowych i złożone z równolegle połączonych kondensatorów o zmiennej pojemności i rezystorów. Rezystory i kondensatory jednym końcem połączone są z wyjściem stopnia komplementarnego, a drugim końcem połączone są z wejściem stopnia komplementarnego tuż za diodowym ogranicznikiem napięcia poprzedzającym ten stopień. To sprzężenie zwrotne zapewnia prawidłowość charakterystyki tylko w zakresie wysokich częstotliwości. W celu ograniczenia wymiarów obrazu na ekranie koniecznych przy czynności lokalizowania strumienia elektronów na ekranie w opisywanym układzie zastosowano przełączalny układ ograniczenia dynamiki dołączony do obciążeń stopnia poprzedzającego ogranicznik napięcia. Takie połączenie powoduje znaczny wzrost poboru prądu zasilającego stopni końcowych w czasie załączenia ogranicznika. W układzie brak jakichkolwiek elementów korekcji charakterystyki w zakresie niskich częstotliwości, a dobór punktów pracy poszczególnych tranzystorów wskazuje na nieprawidłowości charakterystyki wzmacniacza przy najniższych częstotliwościach. Szerokopasmowy wzmacniacz wysokonapięciowy posiada na swym wejściu różnicowy stopień odwracający fazę, diodowy ogranicznik napięcia i komplementarne wysokonapięciowe stopnie, każdy objęty rezystorami i równoległymi do nich kondensatorami tworzącymi obwody sprzężeń zwrotnych. Układ ma do kolektora pierwszego tranzystora sterującego dołączoną anodą pierwszą diodę dwudiodowego ogranicznika napięcia połączoną z kolei katodą z drugim wyjściem tego ogranicznika napięcia. Druga dioda tego ogranicznika połączona jest anodą z kolektorem drugiego tranzystora sterującego i katodą z pierwszym wyjściem tego ogranicznika. Dodatkowo pierwsze wyjście ogranicznika połączone jest poprzez pierwszy rezystor ograniczający z kolektorem pierwszego tranzystora sterującego i z wejściem pierwszego wzmacniacza przyśpieszającego, a drugie wyjście ogranicznika napięcia połączone jest poprzez drugi rezystor ograniczający z kolektorem drugiego tranzystora sterującego i z wejściem drugiego wzmacniacza przyśpieszającego. Wyjście pierwszego wzmacniacza przyśpieszającego połączone jest poprzez kondensator i kabel koncentryczny z wejściem pierwszego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia wyjściowego. Wyjście drugiego wzmacniacza przyśpieszającego połączone jest poprzez kondensator i kabel koncentryczny z wejściem drugiego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia wyjściowego. Natomiast dodatkowe wejścia sterujące obu wzmacniaczy przyśpieszających są połączone z zależnym częstotliwościowo układem polaryzującym, którego wejście połączone jest z jednym z wyjść różnicowego stopnia wejściowego. Ponadto odpowiednio do punktu środkowego gałęzi szeregowych rezystorów sprzężenia zwrotnego obejmującego każdy z komplementarnych stopni wyjściowych dołączony jest rezystor równoważący połączony z wejściem wzmacniacza równoważącego. Wyjście tego wzmacniacza jest połączone poprzez nieliniowy sumator z połączonymi z sobą bazami tranzystorów sterujących. Układ wzmacniacza według wynalazku zapewnia dużą liniowość dynamiki w zakresie najszybszych współczynników czasu rzędu nanosekund na działkę. Uzyskano to dzięki zastosowaniu dodatkowych wzmacniaczy przyśpieszających w obu torach tego różnicowego wzmacniacza odchylającego. Wzmacniacze te intensyfikują swoje działanie w miarę wzrostu częstotliwości przenoszonych sygnałów dzięki oddziaływaniu na nie zależnego częstotliwościowo układu polaryzującego. Działanie przyśpieszające wzmacniaczy korzystnie nie zmienia stałoprądowych warunków pracy wzmacniacza. Ogranicznik napięcia zapewnia liniową i szerokopasmową pracę przy pracy z ekspansją wzmocnienia, gdyż nie zawiera elementów nieliniowych włączonych szeregowo w tor sygnału przenoszącego. Ponadto zawiera mało diód ograniczających. Układ posiada kontrolowaną i utrzymywaną ciągle w czasie pracy prawidłową charakterystykę częstotliwościową w zakresie najniższych częstotliwości poprzez dynamiczną regulację stałoprądowego punktu pracy kilku stopni wzmacniacza. Dzięki temu unika się zwisów charakterystyki w zakresie pojedyńczych herców i poniżej. Układ pozwala na uniknięcie niestabilnego pływającego po ekranie obrazu w takt powtarzania bardzo wolnych sekundowych przebiegów sygnału piłokształtnego i wyświetlanych równocześnie z przebiegami znaków alfanumerycznych.

4 Powodem tego niekorzystnego zjawiska jest bardzo złożony kształt sygnału odchylającego poziomego, w którym na bardzo wolno narastający sygnał piłokształtny nałożone są szybkie sygnały powodujące rysowanie znaków alfanumerycznych. Taka równomierna charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza, a zwłaszcza dla najniższych częstotliwości pozwala na uniknięcie pływania obrazu. Zjawisko to występuje również w lampach oscyloskopowych z odchylaniem magnetycznym. Wzmacniacz można korzystnie rozdzielić umieszczając osobno stopnie wejściowy i końcowy połączone kablem koncentrycznym bez zniekształceń charakterystyki częstotliwościowej również dzięki działaniu wzmacniaczy przyśpieszających. Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku, który pokazuje schemat połączeń elektrycznych. Układ wzmacniacza według wynalazku ma na wejściu różnicowy stopień 1 wejściowy, do którego różnicowych wyjść dołączone są odpowiednio poprzez rezystory 2 i 3 dopasowujące tranzystory 4 i 5 sterujące. Do trzeciego wyjścia 6 różnicowego dołączone jest wejście 7 układu 8 polaryzującego zależnego częstotliwościowo. Do kolektora pierwszego tranzystora 4 dołączony jest pierwszy rezystor 9 ograniczający dwudiodowego ogranicznika 10 napięcia oraz anoda pierwszej diody 11 ograniczającej. Do kolektora drugiego 5 tranzystora sterującego dołączony jest drugi rezystor 12 ograniczający dwudiodowego ogranicznika 10 i anoda drugiej diody 13 ograniczającej. Pierwsze wyjście 14 dwudiodowego ogranicznika 10 połączone jest z drugim końcem pierwszego rezystora 9 ograniczającego i katoda drugiej diody 13 ograniczającej, a ponadto wejście pierwszego wzmacniacza 15 przyśpieszającego oraz jeden koniec rezystora 16 wyznaczającego wzmocnienie, którego drugi koniec poprzez kabel 17 koncentryczny połączony jest z wejściem 18 komplementarnego wysokonapięciowego stopnia 19 wyjściowego. Z drugim końcem rezystora 16 wyznaczającego wzmocnienie poprzez kondensator 20 połączone jest wyjście pierwszego wzmacniacza 15 przyśpieszającego. Drugie wyjście 21 dwudiodowego ogranicznika 10 napięcia połączone jest z drugim końcem rezystora 12 ograniczającego i z katodą pierwszej diody 11 ograniczającej, a ponadto z wejściem drugiego wzmacniacza 22 przyśpieszającego oraz z jednym końcem drugiego rezystora 23 wyznaczającego wzmocnienie. Drugi koniec tego rezystora 23 poprzez kabel 24 koncentryczny połączony jest z wejściem 25 drugiego komplementarnego wysokonapięciowego stopnia 26 wyjściowego. Do drugiego końca drugiego rezystora 23 wyznaczającego wzmocnienie poprzez kondensator 27 połączone jest wyjście drugiego wzmacniacza 22 przyśpieszającego. Wyjście 28 wysokonapięciowego komplementarnego stopnia 19 wyjściowego połączone jest z wejściem 18 tego stopnia poprzez kondensator 29 oraz poprzez szeregowo połączone rezystory 30 i 31 sprzężenia zwrotnego. Wyjście 32 drugiego wysokonapięciowego komplementarnego stopnia 26 wyjściowego połączone jest z wejściem 25 tego stopnia poprzez kondensator 33 oraz poprzez szeregowo połączone rezystory 34 i 35 sprzężenia zwrotnego. Punkt 36 środkowy połączenia gałęzi rezystorów 30 i 31 sprzężenia zwrotnego jest połączony poprzez pierwszy rezystor 37 równoważący z wejściem wzmacniacza 38 równoważącego. Do tego wejścia dołączony jest też drugi rezystor 39 równoważący połączony z punktem 40 środkowym połączenia drugiej gałęzi rezystorów 34 i 35 sprzężenia zwrotnego. Wyjście wzmacniacza 38 równoważącego połączone jest poprzez nieliniowy sumator 41 ze zwartymi ze sobą bazami tranzystorów 4 i 5 sterujących. Do nieliniowego sumatora 41 dołączony jest układ 42 lokalizacji strumienia elektronów na ekranie lampy oscyloskopowej. Dodatkowe wejścia sterujące 43 pierwszego wzmacniacza 15 przyśpieszającego i 44 drugiego wzmacniacza 22 przyśpieszającego połączone są z zależnym częstotliwościowo układem 8 polaryzującym. Do jednego z wejść różnicowego stopnia 1 wejściowego dołączony jest układ 45 regulacji ekspansji wzmocnienia całego układu. Przy przenoszeniu sygnałów o małych i średnich częstotliwościach działanie wzmacniaczy 15 i 22 przyśpieszających jest pomijalne. Wielkość wzmocnienia całego wzmacniacza wyznaczają wielkość wzmocnienia stopnia wejściowego oraz iloczyn rezystancji rezystorów 30 i 31 do rezystancji rezystora 16 w jednej połówce wzmacniacza i iloczyn rezystancji 34 i 35 do re-

5 zystancji 23 w drugiej połówce wzmacniacza. Kompensację częstotliwościową wyznaczają kondensatory 29 i 33 gałęzi sprzężeń zwrotnych obejmujących wysokonapięciowe stopnie 19 i 26 wyjściowe. W miarę wzrostu częstotliwości przenoszonych sygnałów zaznacza się coraz silniejszy, ograniczający pasmo wzmacniacza, wpływ pojemności własnej kabli 17 i 18 koncentrycznych i pojemności rozproszonych stopni 19 i 26 wyjściowych. Wtedy oba wzmacniacze 15 i 22 przyśpieszające zaczynają coraz silniej wzmacniać sygnały z wyjść 14 i 21 układu 10 ogranicznika napięcia. Wejście 18 stopnia 19 wyjściowego jest wtedy sterowane sumą sygnałów przechodzących przez rezystor 16 wyznaczający wzmocnienie i przez wzmacniacz 15 przyśpieszający i kondensator 20. Przy najwyższych częstotliwościach składowa o wysokiej częstotliwości przechodząca przez wzmacniacz 15 staje się o wiele większa od składowej przechodzącej przez rezystor 16 i tak dosterowuje stopień 19 końcowy by zniwelować ograniczające wielkość wzmocnienia wpływ kabla 17 koncentrycznego i pojemności rozproszonych. Działanie wzmacniacza 22 w drugiej połowie wzmacniacza jest identyczne. Przy załączonej układem 45 ekspansji wzmacniania całego układu następuje silne przesterowanie szybkimi sygnałami stopni 19 i 26 wyjściowych. Wtedy działanie przyśpieszające wzmacniaczy 15 i 22 jest szczególnie potrzebne i w celu ich zitensyfikowania są one dodatkowo dosterowywane odpowiednio przez swe dodatkowe wejścia 43 i 44 z układu 8 polaryzującego. Układ 8 polaryzujący zwiększa swe działanie w kierunku wzrostu wzmocnienia wzmacniaczy 15 i 22 przyśpieszających w miarę wzrostu częstotliwości sygnału na swym wejściu 7, zwłaszcza przy załączonej ekspansji wzmacniania w stopniu 1 wejściowym, z którym jest połączony. Ogranicznik 10 napięcia szybko ogranicza napięcia sterujące stopnie 19 i 26 wyjściowe zwierające diodami 11 i 13 swe wyjścia 14 i 21 odpowiednio z kolektorami tranzystorów 4 i 5 sterujących. Układ szybko wchodzi i wychodzi ze stanu ograniczenia, gdyż w układzie ograniczającym znajdują się rezystory 9 i 10 ograniczające przed głębokim nasyceniem się tranzystorów 4 i 5 sterujących. We wzmacniaczu brak jest bezpośrednio połączonych szeregowo w obwodach przenoszących wzmacniany sygnał diód ograniczających. Charakterystykę częstotliwościową w zakresie najniższych częstotliwości w układzie reguluje się przez zmianę stałoprądowego punktu pracy tranzystorów 4 i 5 sterujących i bezpośrednio z nimi połączonych stopni następnych. Rezystory 37 i 39 przenoszą zmiany średniego potencjału na wyjściach 28 i 29 stopni wyjściowych do wejścia wzmacniacza 38, a ten z kolei tak zmienia poprzez sumator 41 napięcia na bazach tranzystorów 4 i 5 żeby utrzymać ten średni potencjał niezmieniony. Wtedy wszystkie stopnie objęte tą pętlą są zawsze w równowadze w stosunku do napięć zasilających, a to jest warunkiem zachowania prawidłowej charakterystyki częstotliwościowej w zakresie herców i ułamków herców. Sumator 41 jest nieliniowy tak by zachować prawidłowość charakterystyki regulacji punktu pracy tranzystorów 4 i 5 przy załączonej ekspansji wzmocnienia i nie powodować zbyt dużych zmian punktów pracy całego układu powodujących wydzielanie dużej mocy na elementach układu. Chcąc zlokalizować na ekranie strumień elektronów załącza się układ 42 powodując przez to ograniczenie zakresu dynamiki wzmacniacza tak, że jakikolwiek sygnał wzmacniany przez wzmacniacz nie spowoduje odchylenia strumienia elektronów w lampie oscyloskopowej poza pole pomiarowe ekranu.

6 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 5000 zł.