ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА АВ Российский патент 2014 года по МПК H03F3/26 

Описание патента на изобретение RU2527185C1

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиоэлектронике, а точнее к линейным усилителям звуковых сигналов, которое может использоваться как в аппаратуре высокого класса и повышенной надежности, так и благодаря его относительной простоте, действенности и свойству самонастройки в большинстве транзисторных звучащих аппаратов, а также в устройствах контроля, измерения, автоматики и в специализированных микросхемах.

Уровень техники

Усилители класса АВ наиболее распространены среди линейных усилителей, поскольку, оставаясь наиболее простым видом усилителей, в идеале позволяют сочетать высокую экономичность усилителей класса В с неискажающим усилением усилителей класса А. Однако формирование необходимого для этого напряжения смещения транзисторов, поддерживающего плечи двухтактного каскада на грани открывания положительными и отрицательными полуволнами сигнала, было и остается основной проблемой построения таких усилителей, проблемой стабилизации их параметров. Объясняется это нестабильностью управляющих характеристик транзисторов, их зависимостью и от температуры, и от уровня сигнала, и от разброса или дрейфа параметров тех же транзисторов. Вследствие этого до сих пор не было сформулировано однозначного способа (правила, критерия, алгоритма) регулирования напряжения смещения, который позволял бы усилителю автоматически устанавливать для своих транзисторов оптимальное напряжение смещения. Сложность проблемы иллюстрируется даже названием статьи Грошева В.Я. «Методы обеспечения определенности и стабильности начального режима двухтактных усилителей на биполярных транзисторах», опубликованной в научно-теоретическом журнале «Радиотехника» №2, 1989 г. Речь в ней идет не о стабилизации, а только об обеспечении «определенности» режима.

Уровень современной техники усилителей класса АВ можно оценить по книге: Сухов Н.Е. Радиохобби. Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками. - СПб.: Наука и техника, 2012. В ней собраны наиболее интересные схемные решения усилителей мощности, выполненные российскими и зарубежными авторами на различной элементной базе, в том числе и на импортных элементах.

Среди решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, известны двухтактные усилители мощности, состоящие из основного мощного усилительного каскада и вспомогательного канала, который управляет режимом работы основного с регулируемой цепью смещения. Таковы двухтактный усилитель мощности (SU 652686, опубл. 15.03.1979, МПК: H03F 3/20), в котором вспомогательный каскад содержит широтно-импульсные преобразователи, усилитель мощности (SU 1119163 А, опубл. 15.10.1984, МПК: H03F 1/34), в который введен параллельный ограничитель сверху, и усилитель мощности (SU 1730714 А1, опубл. 30.04.1992, МПК: H03F 3/20), содержащий усилители-ограничители, сумматоры, дополнительные транзисторы и резисторы. Основная цель этих изобретений - снижение искажений и повышение КПД - решается разными средствами, но во всех случаях эти решения достаточно сложны, неочевидны, а элементы управления режимами усилителей сами нуждаются в настройке.

Существует масса технических решений, в которых решается задача стабилизации тока покоя усилителей за счет использования специальных обратных связей. Известен, в частности, бестрансформаторный двухтактный усилитель низкой частоты (SU 307487 А, опубл. 01.01.1971, МПК: H03F 3/26, H03F 1/34), охваченный цепью отрицательной обратной связи по напряжению, который увеличивает коэффициент нелинейных искажений за счет нелинейной безинерционной обратной связи по току транзисторов оконечного каскада, введенной для стабилизации начального тока усилителя.

Наиболее близким аналогом, по мнению автора, является усилитель, известный из документа SU 663073 А (опубл. 15.05.1979, МПК: H03F 1/34). В нем описывается бестрансформаторный транзисторный двухтактный усилитель класса АВ, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению, содержащий последовательно соединенные предварительные, а также предоконечный и оконечный каскады, выполненные по последовательно-параллельной схеме, при этом в коллекторную цепь транзистора последнего предварительного каскада включены последовательно промежуток коллектор-эмиттер первого дополнительного транзистора и резистор, к выводам которого подключены базы транзисторов предоконечного каскада, в каждую коллекторную цепь транзисторов оконечного каскада включена параллельная диодно-резистивная цепочка, к месту соединения коллекторов с диодно-резистивными цепочками оконечного каскада подключен через источник напряжения смещения переход база-эмиттер второго дополнительного транзистора, коллектор которого через параллельную RC-цепь подключен к соответствующей шине питания, а непосредственно - к базе первого дополнительного транзистора.

В этом усилителе есть все элементы, кроме отличительного, которые используются в формуле настоящего изобретения (см. чертеж SU 663073 А). Так, регулятор напряжения смещения реализован транзистором 9 и резистором 10, два измерителя токов плеч реализованы резисторами 13 и 14, суммирующее устройство образовано последовательным соединением этих резисторов, с которых снимается суммарное напряжение. Элементы 11÷18, которые непосредственного участия в усилении сигнала не принимают и служат только для стабилизации режима усилителя, можно выделить в модуль стабилизации.

Недостатком указанного усилителя является то, что он не обеспечивает снижения искажений в широком диапазоне токов сигнала. Объясняется это тем, что при достаточно сильных сигналах обратной связью устанавливается такое напряжение смещения, при котором начальный ток усилителя, т.е. ток усилителя при прохождении усиливаемого сигнала через ноль становится меньше тока покоя этого усилителя или даже равным нулю. При этом возникают искажения типа «ступенька».

Заявленное изобретение направлено на устранение недостатков известных решений.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является формирование такого напряжения смещения, которое поддерживает оконечные транзисторы на грани открывания или в состоянии слабого контролируемого открывания, то есть обеспечивает постоянство начального тока усилителя, т.е. тока при прохождении усиливаемого сигнала через ноль при любом меняющемся уровне сигнала. Обеспечение постоянства начального тока усилителя на уровне его тока покоя обеспечивает снижение искажений в широком диапазоне токов сигнала при сохранении высокой температурной стабильности и стабильности при возможном разбросе или дрейфе параметров транзисторов.

Указанный результат достигается в предлагаемом двухтактном усилителе класса АВ, который содержит регулятор напряжения смещения и модуль стабилизации с входящими в него двумя измерителями токов плеч и суммирующим устройством, где выход модуля стабилизации подключен к входу регулятора напряжения смещения, при этом для обеспечения постоянства начального тока при меняющемся уровне сигнала в усилитель введен детектор минимального значения суммы токов плеч, выход которого является выходом модуля стабилизации.

Известно, что стабилизировать что-то, в данном случае начальный ток усилителя, можно только путем его измерения, сравнения с эталонной величиной и автоматического регулирования. Для того чтобы выявить возможность измерения начального тока усилителя на фоне хаотически меняющегося тока сигнала автор изобретения предлагает рассмотреть изменения токов плеч двухтактного каскада и их суммы в предположении, что ток сигнала в нагрузке изменяется по простейшему синусоидальному закону:

iн=Im sin α,

где

iн - мгновенное значение тока нагрузки,

Im - его амплитуда,

α=Ωt - фазовый угол,

Ω - рабочая частота,

t - время.

Характер изменения токов в плечах двухтактного каскада показан на Фиг.1а, а суммы абсолютных значений токов - на Фиг.1б.

Ток нагрузки в двухтактном каскаде определяется разностью токов плеч или суммой абсолютных значений приращений токов плеч:

iн=[Δi1]+[Δi2]

При малых токах сигнала работают оба плеча усилителя в линейном режиме класса А. Приращения токов плеч по абсолютной величине равны половине тока нагрузки

[ Δ i 1 ] = [ Δ i 2 ] = 0,5 i н = I m 2 sin α

и выражения для токов плеч будут иметь вид:

{ i 1 = I н а ч + I m 2 sin α i 2 = I н а ч I m 2 sin α } при 0≤α≤αкр

Здесь и далее через αкр обозначен критический фазовый угол, при превышении которого усилитель переходит из режима класса А в режим класса В.

Если все токи нормировать по отношению к максимальному току нагрузки:

I н а ч I m = I н н и I m I m = 1 , то { i 1 = I н н + 1 2 sin α i 2 = I н н 1 2 sin α } при 0≤α≤αкр

При α=αкр ток второго плеча уменьшается до нуля, т.е.

I н н 1 2 sin α к р = 0 Из этого определяем αкр=arcsin2Iнн

В режиме класса В ток нагрузки определяется приращениями тока только одного плеча:

{ i 1 = sin α i 2 = 0 } при α к р α π 2

При α π 2 характер изменения токов повторяется в обратном порядке, а при α>π меняется знак тока нагрузки и инициатива в его формировании переходит ко второму плечу.

Сумма токов плеч:

{ i 1 + i 2 = 2 I н н i 1 + i 2 = sin α п р и 0 α α к р п р и α к р α π 2

имеет постоянное минимальное значение, определяемое только начальным током усилителя:

(i1+i2)мин=2Iнн

Вышеприведенные расчеты позволили автору настоящего изобретения сделать вывод о том, что для стабилизации режима усилителя класса АВ при любом желаемом начальном токе необходимо и достаточно стабилизировать минимальное значение суммы токов плеч, равное двукратному значению начального тока одного плеча. Данный принцип был использован при разработке настоящего изобретения.

Таким образом, вне зависимости от конкретного исполнения усилителя, будь то трансформаторный или бестрансформаторный усилитель с параллельным или последовательным включением плеч, можно назвать обязательные для стабилизации его режима элементы. Эти элементы изображены на обобщенной структурной схеме предлагаемого усилителя класса АВ (см. Фиг.2).

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показан характер изменения токов в усилителе класса АВ.

На Фиг.2 показана структурная схема двухтактного усилителя класса АВ.

Осуществление изобретения

Предлагаемый усилитель работает следующим образом.

Измерители токов 1 и 2 постоянно измеряют токи плеч двухтактного выходного каскада. Суммирующее устройство отслеживает сумму мгновенных значений токов плеч. Детектор минимальных значений суммы токов плеч определяет минимальное значение этой суммы, наступающее в режиме покоя усилителя или при прохождении усиливаемого сигнала через ноль.

Выходное напряжение детектора определяется только начальным током усилителя и ничем больше. Оно так регулирует напряжение смещения усилителя, чтобы начальный ток усилителя сохранялся постоянным при любых дестабилизирующих факторах и при любой амплитуде сигнала. Этим обеспечивается стабильность режима и минимизация искажений в любых реальных условиях.

Похожие патенты RU2527185C1

название год авторы номер документа
Бестрансформаторный транзисторный двухтактный усилитель класса ав 1977
  • Ефремов Владимир Степанович
SU663073A1
Двухтактный усилитель мощности АМ-сигнала, работающий в режиме класса А 1990
  • Романов Игорь Александрович
SU1753581A1
Усилитель мощности 1984
  • Анпилов Михаил Васильевич
  • Толстой Витольд Васильевич
SU1243085A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ СКВОЗНОГО ТОКА ВЫХОДНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ДВУХТАКТНОГО КАСКАДА 2006
  • Сучков Олег Васильевич
RU2322754C1
Усилитель мощности высокой частоты 1986
  • Валюхов Владимир Петрович
  • Купцов Владимир Дмитриевич
  • Рыжевнин Владимир Николаевич
  • Серов Владимир Никитович
  • Усов Владимир Сергеевич
SU1411918A1
Двухтактный усилитель мощности 1990
  • Фишин Игорь Владимирович
SU1788567A1
СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В УСИЛИТЕЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 2005
  • Попов Владимир Иванович
  • Попов Александр Геннадьевич
RU2294052C9
Усилитель мощности 1989
  • Меер Вадим Викторович
  • Стрик Виктор Александрович
  • Болотников Михаил Владимирович
SU1635250A1
Способ построения усилителя мощности СВЧ 2017
  • Рахлин Владимир Петрович
  • Сак Павел Викторович
RU2666229C1
Двухтактный усилитель 1983
  • Павлов Анатолий Георгиевич
  • Бродецкий Александр Маркович
  • Шинкаренко Сергей Петрович
SU1128369A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 527 185 C1

Реферат патента 2014 года ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА АВ

Изобретение относится к радиоэлектронике, к линейным усилителям звуковых сигналов и может использоваться в любых транзисторных звучащих аппаратах, а также в устройствах контроля, измерения, автоматики и в специализированных микросхемах. Достигаемый технический результат - снижение искажений в широком диапазоне токов сигнала при сохранении высокой температурной стабильности и стабильности при возможном разбросе или дрейфе параметров транзисторов. Двухтактный усилитель класса АВ содержит регулятор напряжения смещения и модуль стабилизации с входящими в него двумя измерителями токов плеч и суммирующим устройством, причем выход модуля стабилизации подключен к входу регулятора напряжения смещения, а также детектор минимального значения суммы токов плеч, выход которого является выходом модуля стабилизации. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 527 185 C1

Двухтактный усилитель класса АВ, содержащий регулятор напряжения смещения и модуль стабилизации с входящими в него двумя измерителями токов плеч и суммирующим устройством, причем выход модуля стабилизации подключен к входу регулятора напряжения смещения, отличающийся тем, что с целью обеспечения постоянства начального тока при меняющемся уровне сигнала в усилитель введен детектор минимального значения суммы токов плеч, выход которого является выходом модуля стабилизации.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2527185C1

Бестрансформаторный транзисторный двухтактный усилитель класса ав 1977
  • Ефремов Владимир Степанович
SU663073A1

RU 2 527 185 C1

Авторы

Ефремов Владимир Степанович

Даты

2014-08-27Публикация

2013-05-23Подача