УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКА Российский патент 2016 года по МПК H03F3/02 H03F3/217 

Заявляемое изобретение относится к области электротехнических и радиотехнических устройств, в частности к усилительной технике, и может быть использовано в качестве готового изделия - усилителя мощности звуковой частоты высокого качества, работающего в режиме класса «А», либо в качестве блока усиления звукового сигнала в различной аппаратуре для высококачественного усиления сигнала звуковой частоты.

Принцип работы усилителя обусловлен режимом работы (включения) транзисторов. Усиление сигнала звуковой частоты подразделяется на основные классы «А», «В», «АВ», «С», «D». Каждому классу присущи определенные достоинства и недостатки, что в какой-то степени определяет сферу применения транзисторов. Перевод транзисторов с класса «А» в класс «В» увеличивает коэффициент гармонических искажений в четыре раза, в результате коэффициент усиления (без ООС) возрастает на 10-15 Дб, что уменьшает частоту среза на две октавы.

Для достижения максимально возможного качества звучания все каскады усилителя мощности должны работать в однотактном режиме класса «А», больше альтернативных режимов работы транзисторов не существует. Мощность усилителя и КПД не является показателем качества получаемого на выходе звукового сигнала.

В традиционных схемах в процессе усиления звуковой сигнал, проходя через различные блоки усилителя, искажается, "обрастая" ненужными гармониками.

Условно причины плохого звучания можно разделить на следующие группы: искажение сигнала в усилителе; соединение с нагрузкой; влияние нагрузки; импеданс усилителя и работа динамика, при этом искажения сигнала в усилителе бывают линейные и нелинейные. Первое - просто изменение частотного спектра сигнала без искажения его формы. Нелинейные искажения - внесение в сигнал того, чего в нем не было изначально, а также расширение его спектра, порождают трудности и ухудшают восприятие звуковой картинки.

К видам нелинейных искажений относятся: нелинейные искажения; ограничение уровня; интермодуляционные; коммутационные; динамические и самовозбуждение. При нелинейных искажениях звуковой сигнал проходит через усилитель, увеличивается по амплитуде и искажается, при этом в полезный сигнал будут внесены шумы, искажения, помехи, мешающие качественному восприятию звука.

Из уровня техники известны электронные схемы усилителей, основанные на использовании или электронных ламп, или транзисторов различного типа и структуры, или комбинированные схемы с применением и ламп, и транзисторов, при этом оконечный каскад, формирующий мощность для акустической системы, содержит либо транзисторы, либо электронные лампы (см., например, журнал «Радио» №1 2004 г., стр. 18; №1 2009 г., стр. 13; №5 2009 г., стр. 10; №2 2010 г., стр. 17).

По сравнению с ламповыми схемами транзисторные схемы более компактны, энергоэффективны, однако имеют ряд недостатков по качеству воспроизведения исходного звукового сигнала из-за низкой мощности в режиме «А», выделения большого количества теплоты - КПД порядка 10%. Кроме того, традиционные транзисторные схемы, построенные на принципу последовательных каскадов, имеют отличительную особенность - так называемый «транзисторный звук», на слух воспринимаемый как жесткий металлический звук, вызывающий у слушателя ощущение неестественного звучания. Это связано с тем, что сигнал, подаваемый на акустическую систему, не адаптирован к работе динамической головки. В частности, такой сигнал в виде переменного напряжения относительно нулевого уровня имеет синусоидальную форму, но не является абсолютно симметричным, что не позволяет динамической головке равномерно распространять звуковые колебания в обе стороны движения механизма излучателя. В случае использования последовательных каскадов транзисторных усилителей каждый такой каскад добавляет искажение сигнала на выходе, тем самым существенно изменяя исходный сигнал. На эффективной работе усилителей с последовательными каскадами отрицательно сказываются предпринимаемые способы борьбы с самовозбуждением - возникновением электрических колебаний в электронной системе при отсутствии внешних воздействий, связанным с неустойчивостью равновесия в системе, или применением схем с отдельным усилением полупериодов исходного сигнала.

Выходные транзисторы усилителя в режиме «А» усиливают как положительную, так и отрицательную полуволны входного сигнала, однако проблема такого усиления, особенно при использовании нескольких каскадов, заключается в непропорциональном усилении этих полуволн, преимущественно в режиме большой мощности.

В ламповых усилителях за счет использования схемы с выходным согласующим трансформатором формируется наиболее эффективный, полезный усиленный сигнал высокого качества. Сигнал, подаваемый на акустическую систему, в сравнении с традиционными транзисторными усилителями имеет симметричную форму относительно нуля и поэтому вызывает у слушателя приятные ощущения, основанные на восприятии более естественного звука. Однако в ламповых схемах при использовании последовательных каскадов также происходит искажение звука, которое суммируется по мере прохождения сигнала. Помимо этого, ламповые усилители обладают только им присущими недостатками, например слабо выраженными низкими и высокими частотами, значительным энергопотреблением и выделением тепла, необходимостью разогрева, а также большими габаритами, массой, ограниченным сроком службы ламп и их высокой стоимостью.

Из уровня техники известно устройство усиления звука, содержащее источник питания с емкостным фильтром и подключенным к нему двухкаскадным усилителем низкой частоты в виде предварительного каскада усиления напряжения звукового сигнала, имеющего в своем составе радиолампу, управляющая сетка которой соединена с регулятором входного сигнала, а анод и катод - с соответствующими анодной нагрузкой и сопротивлением автоматического смещения, и каскада усиления с разделенной нагрузкой на радиолампе, управляющая сетка которой соединена с анодом радиолампы предварительного каскада усиления и его анодной нагрузкой, а также громкоговоритель, причем разделенная нагрузка выполнена в виде двух звуковых катушек громкоговорителя с одинаковыми числом витков, диаметром и длиной провода, размещенных изолированно друг от друга в зазоре магнитной системы громкоговорителя одна поверх другой, обе звуковые катушки включены синфазно по усиливаемому сигналу, при этом конец первой звуковой катушки соединен с анодом радиолампы каскада усиления с разделенной нагрузкой, а начало - с положительным, +Е₁, зажимом источника питания, отрицательный, -Е₁, зажим которого соединен с концом второй звуковой катушки, начало которой соединено с катодом радиолампы каскада усиления с разделенной нагрузкой, каждая звуковая катушка имеет комплексное электрическое сопротивление, равное половине оптимального внутреннего сопротивления радиолампы каскада с разделенной нагрузкой, а сопротивление автоматического смещения этой радиолампы равно сумме сопротивления анодной нагрузки радиолампы каскада предварительного усиления напряжения и активного сопротивления второй звуковой катушки, при этом анодная нагрузка радиолампы предварительного каскада усиления напряжения подключена к точке соединения отрицательного, -E₁, и положительного, +Е₂, зажимов источника питания, к отрицательному, -Е₂, зажиму которого подключено сопротивление автоматического смещения, причем анодная нагрузка радиолампы может быть выполнена в виде транзистора с обратной проводимостью по отношению к этой радиолампе, база которого снабжена регулятором внутреннего сопротивления (патент РФ №2221326 на изобретение «Тракт усиления звука», дата подачи 14.03.2002 г., опубликовано 10.01.2004 г.).

Недостатки данного решения связаны с громоздкой схемой, в частности выполнением разделенной нагрузки в виде двух звуковых катушек, каждая из которых имеет комплексное электрическое сопротивление, величина которого должна быть заранее определена и строго соблюдаться для осуществления качественной работы. Кроме того, использование многочисленных взаимосвязей между элементами схемы приводит к возникновению нелинейных искажений, ухудшающих качество звучания.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является усилитель мощности звука, включающий по меньшей мере два последовательных каскада, каждый из которых содержит по две транзисторные пары Дарлингтона с входными и выходными транзисторами, блок формирования напряжения смещения, громкоговоритель (динамическую головку), разнополюсный (двуполярный) блок питания всей схемы, разделяющий транзистор, блок стабилизации питания, а также подбираемые специальным образом трансформаторы для блока формирования напряжения смещения, при этом для одного каскада используют пары полевых транзисторов, для другого - биполярные транзисторы.

Каскады соединены между собой следующим образом: один эммитер выходного транзистора первого каскада соединен с коллектором выходного транзистора второго каскада, а второй эмиттер выходного транзистора первого каскада соединен с одним из выводов динамической головки, при этом второй вывод динамической головки соединен с точкой разнополюсного блока питания (http HYPERLINK "http://grimmi.ru/"). Работая в режиме «А», выходные транзисторы усиливают как положительную, так и отрицательную полуволны входного сигнала. Однако при последовательном подключении нескольких каскадов происходит непропорциональное усиление этих полуволн, особенно в режимах большой мощности.

Недостатки известного решения обусловлены применением мощных спаренных транзисторов, включенных однотактным повторителем мощности. Однако для высококачественного усиления напряжения в данной конструкции не могут быть использованы любые транзисторы, обеспечивающие любой режим работы. Для данного усилителя требуется специальный подбор транзисторов. Кроме того, в схемах часто используют лампово-полупроводниковую конструкцию усиления, в которой усилителем напряжения выступает ламповый каскад, а усилителем тока - биполярные NpN транзисторы (http HYPERLINK "http://grimmi.ru/princip%20trans.html"). Сложная схема с большим количеством взаимосвязей элементов между собой приводит к увеличению искажений и помех, что снижает мощность, КПД усилителя. Помимо этого, усилитель сильно греется.

Предлагаемая к защите конструкция усилителя мощности звука устраняет недостатки ламповых и транзисторных схем.

Заявляемое устройство за счет использования по меньшей мере двух симметрично подключенных каскадов равномерно усиливает как отрицательную, так и положительную полуволны входного сигнала, за счет чего формируется глубокое, равномерное движение диффузора динамической головки (громкоговорителя), что, в свою очередь, обеспечивает натуральность звука.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение качества усиления мощности звука за счет оптимизации выходного сигнала для работы динамической головки (громкоговорителя), уменьшения нелинейных искажений, а также равномерного усиления отрицательной и положительной полуволн сигнала и его беспрепятственного прохождения в глубоко открытых транзисторных парах.

Указанный технический результат достигается тем, что в усилителе мощности звука, включающем по меньшей мере два каскада, каждый из которых содержит по две транзисторные пары Дарлингтона с входными и выходными транзисторами, разделяющий транзистор, динамическую головку, блок формирования напряжения смещения, двуполярный блок питания, согласно изобретению каскады в точке входа исходного сигнала и выхода усиленного сигнала симметрично подключены друг к другу эмиттерами противоположных полярностей выходных транзисторов транзисторных пар Дарлингтона и в этой же точке подключены к динамической головке, другой вывод которой присоединен к общему проводу двуполярного блока питания, при этом каждый каскад снабжен отдельным блоком формирования напряжения смещения и блоком питания, причем каждый блок формирования напряжения смещения содержит стабилизатор, который через подстроечный резистор связан с соответствующей базой транзисторных пар Дарлингтона, а каждый блок питания включает фильтрующие конденсаторы.

К каждому каскаду с целью увеличения общей мощности могут быть присоединены несколько одинаковых параллельных каскадов, при этом усилитель при необходимости дополнительно снабжают терморезисторами (термисторами), размещенными между эмиттерами и базами выходных транзисторов транзисторных пар Дарлингтона.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема усилителя мощности звука.

Предлагаемое к защите устройство содержит два симметричных каскада, каждый из которых снабжен отдельным гальваническим питанием, собран из транзисторов разной структуры, в том числе образующих транзисторные пары Дарлингтона, соединенных эмиттерами противоположной полярности в точке входа исходного сигнала и выхода сигнала на динамическую головку (громкоговоритель), при этом подача сигнала с каскадов на динамическую головку осуществляется одновременно. Усилитель может содержать несколько параллельно подключенных пар каскадов, что позволяет пропорционально увеличивать выходную мощность усилителя, при этом количество используемых каскадов определяется мощностью трансформатора питания, увеличение количества каскадов не приводит к повышению возможности самовозбуждения усилителя. Усилитель не имеет обратной связи.

В состав усилителя входят: двуполярный блок питания 1, выполненный в виде трансформатора с тремя обмотками, одна из которых подключена к питающей сети, другие две посредством двух диодных мостов 2 (V1, V2) и фильтрующих (сглаживающих) конденсаторов 3 (С7, С8) формируют нестабилизированное постоянное питание для каскадов. Основное питание схемы не требует стабилизации, однако включение в схему фильтрующих конденсаторов 3 (С7, С8) позволяет снизить влияние фоновых сигналов и пиковые нагрузки, что улучшает качество звучания.

Кроме этого, схема содержит блок формирования стабилизированного питания для подачи через построечные резисторы 4 (R2, R3) напряжения смещения на базы управляющих транзисторов 5 (VT2-VT5) в виде двух разнополярных стабилизаторов 6 (D1) и 7 (D2), в качестве которых могут быть использованы, например, стабилизаторы LM317 и LM337. Формирование постоянного стабилизированного напряжения смещения может быть выполнено по любой иной схеме и на основе иной элементной базы.

Основная схема усилителя состоит из двух симметричных каскадов, соединенных в точке выхода сигнала на динамическую головку (громкоговоритель) 8 разнополярными эмиттерами выходных транзисторов 9 транзисторных пар Дарлингтона (VT8, VT9), причем в эту же точку соединения через «общий провод» поступает исходный сигнал, и исходит непосредственно в динамическую головку (громкоговоритель) 8 усиленный сигнал. Другой вывод динамической головки 8 присоединен к общему проводу двуполярного питания 1, связанного с диодными мостами 2 (V1, V2).

Второй вход поступления исходного (усиливаемого) сигнала через переменный резистор 10 (R1) управления громкостью и разделяющие конденсаторы 11 (С1, С2) присоединен к базам входных управляющих транзисторов 5 (VT2-VT5) транзисторных пар Дарлингтона.

Усиление сигнала при использовании в схеме двух каскадов осуществляется непосредственно четырьмя парами транзисторов: по две пары в каждом каскаде, в качестве которых используют составной транзистор, известный как пары Дарлингтона - соединение двух биполярных транзисторов, включенных таким образом, что нагрузкой в эмиттерной цепи предыдущего каскада является переход база-эмиттер транзистора последующего каскада (то есть эмиттер предыдущего транзистора соединяется с базой последующего), при этом транзисторы соединяются коллекторами.

Как правило, составные транзисторы Дарлингтона используют в сильноточных схемах, например в схемах стабилизаторов напряжения, выходных каскадах усилителей мощности и во входных каскадах усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс и малые входные токи.

В заявляемой схеме использовано четыре пары составных транзисторов Дарлигтона разной структуры, а именно: 12 (VT1)-(VT7); 5 (VT3)-9(VT8); 5 (VT4)-9(VT9); 13 (VT6)-(VT10), при этом транзисторные пары разной структуры в каждом каскаде соединены коллекторами, а те пары транзисторов Дарлингтона 12 (VT1)-(VT7) и 13 (VT6)-(VT10), на которые поступает исходный сигнал, снабжены дополнительными разделяющими транзисторами, функции которых выполняют входные транзисторы 5 (VT2, VT5), присоединенные своими базами к базам транзисторов Дарлингтона, на которые поступает исходный сигнал, а эмиттеры разделяющих транзисторов присоединены к эмиттерам входных транзисторных пар Дарлингтона, на которые поступает исходный сигнал. Коллекторы этих разделяющих транзисторов соединены с базами транзисторных пар Дарлингтона, на которые исходный сигнал непосредственно не поступает, передают на них сигнал и напряжение смещения.

Выходные транзисторы 9 (VT8, VT9) всех транзисторных пар Дарлингтона должны иметь хороший теплоотвод, параметры которого зависят от глубины напряжения смещения транзисторных пар и напряжения питания всей схемы.

В случае использования в схеме нескольких каскадов с целью компенсации разброса параметров транзисторов в устройстве между базой и эмиттером выходных транзисторов транзисторных пар Дарлингтона 9 (VT8, VT9) дополнительно устанавливают терморезисторы (на чертеже не показаны).

Устройство работает следующим образом.

После подключения внешнего источника питания постоянное нестабилизированное напряжение от трансформаторов 1 подается на стабилизаторы 6, 7 (D1, D2), которые формируют заранее определенное напряжение смещения. Подлежащий усилению сигнал через сопротивление 10 (R1) и конденсаторы 11 (C1, С2) поступает на базы управляющих входных транзисторов 5 (VT2 - VT5) по меньшей мере двух каскадов и затем непосредственно на эмиттеры выходных комплементарных транзисторов 9 (VT8, VT9). При этом каждый каскад имеет самостоятельное, отдельное питание. В точке выхода сигнала на динамическую головку 8 каскады соединены противоположными полярностями, что не только компенсирует эффект недоусиления полуволн каждым каскадом, но и позволяет подать сигнал непосредственно в точку соединения эмиттеров выходных транзисторов, формируя, таким образом, коэффициент усиления всей схемы. Благодаря такой подаче исходного сигнала, проходящего путь через минимум элементов схемы, не происходит присоединения помех, шумов и т.п., что позволяет максимально усилить сигнал без потери качества и натуральности звучания.

Известно, что транзисторы, работающие в режиме «А» и входящие в состав усилителя, должны находиться не в открытом или закрытом состояниях, а должны быть полуоткрыты, т.е. частично открыты, при этом глубина открытия транзистора определяется параметрами теплоотвода и количеством параллельно подключенных каскадов. Для обеспечения такого состояния транзистора на его базу подается небольшое напряжение. Эта процедура называется смещением транзистора. За основу работоспособности заявляемого изобретения взят принцип: напряжение смещения выходных транзисторов не должно быть меньше амплитуды входного сигнала. Учитывая это, с помощью подстроечных резисторов 4 (R2, R3) подбирают подходящее для конкретного вида комплементарных пар выходных транзисторов 9 (VT8, VT9) напряжение смещения (Uсм), причем включение обоих каскадов формирует нулевое суммарное напряжение на нагрузке. Напряжение смещения открывает все транзисторы, что способствует более эффективному прохождению сигнала и его воздействию на диффузор динамической головки 8, формируя глубокое и равномерное его движение, что, в свою очередь, обеспечивает натуральность звучания.

Стабилизированное напряжение смещения подается на вход каждого каскада такой величины, чтобы, с одной стороны, обеспечить максимальную мощность и качество пропускаемого сигнала, а с другой - сохранить стабильную работу усилителя с учетом применяемых мер для отвода избыточного тепла. Наибольшая тепловая отдача происходит в режиме покоя, поскольку максимальное постоянное напряжение и большой ток сосредоточены на эмиттерах транзисторов 9 (VT8, VT9), подключенных к динамической головке (громкоговорителю) 8. Прохождение сигнала через усилитель несколько охлаждает выходные транзисторы 9, т.к. часть тепловой энергии, сформированной в режиме покоя па эмиттерах, преобразуется в переменное напряжение и отводится в динамическую головку. Напряжение смещения должно быть стабилизировано и не должно зависеть от напряжения внешней сети.

Примеры конкретного осуществления изобретения

Усилитель мощности звука спроектирован на общедоступных транзисторах, например, кт 818, кт 819, которые в случае изменения характеристик напряжения, подающегося на базы входных транзисторов 5 (VT2 - VT5), могут быть заменены на любые другие не меньшей мощности. В случае применения в схеме транзисторов кт 818, кт 819 напряжение смещения каждого каскада должно формировать на выходном транзисторе 9 (VT8 или VT9) при включенной нагрузке и отключенном симметричном каскаде напряжение величиной 0,5-0,6 В. Включение обоих каскадов формирует нулевое суммирующее напряжение на нагрузке.

В случае использования более мощных транзисторов увеличение мощности на каждые 10 ватт рассеивающей мощности выходных транзисторов 9 (VT8, VT9) увеличивает напряжение на 0,1 В.

Преимуществом заявляемого изобретения является обеспечение глубокого, равномерного движения диффузора динамической головки (громкоговорителя), что, в свою очередь, обеспечивает натуральность звучания, повышает его качество за счет использования симметричной формы подачи сигнала относительно нуля. Кроме того, в устройстве использованы общедоступные элементы, в частности транзисторы. Сокращается потребление энергии. Управляющий (исходный) звуковой сигнал подается через конденсаторы на базы входных транзисторов и на эмиттеры выходных транзисторов, подключенных непосредственно к динамической головке, что значительно снижает нелинейные искажения в усилителе и увеличивает коэффициент усиления всей схемы.

Изобретение относится к области радиотехники и электротехники и может быть использовано в качестве усилителя мощности звуковой частоты, работающего в режиме класса А. Техническим результатом является уменьшение нелинейных искажений. Усилитель мощности звука включает по меньшей мере два каскада, каждый из которых содержит по две транзисторные пары Дарлингтона с входными и выходными транзисторами, разделяющий транзистор, динамическую головку, блок формирования напряжения смещения, двуполярный блок питания, причем каскады в точке входа исходного сигнала и выхода усиленного сигнала симметрично подключены друг к другу эмиттерами противоположных полярностей выходных транзисторов транзисторных пар Дарлингтона и в этой же точке подключены к динамической головке, другой вывод которой присоединен к общему проводу двуполярного блока питания, причем блок формирования напряжения смещения содержит стабилизатор, который через подстроечный резистор связан с соответствующей базой транзисторных пар Дарлингтона. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Усилитель мощности звука, включающий по меньшей мере два каскада, каждый из которых содержит по две транзисторные пары Дарлингтона с входными и выходными транзисторами, разделяющий транзистор, динамическую головку, блок формирования напряжения смещения, двуполярный блок питания, отличающийся тем, что каскады в точке входа исходного сигнала и выхода усиленного сигнала симметрично подключены друг к другу эмиттерами противоположных полярностей выходных транзисторов транзисторных пар Дарлингтона и в этой же точке подключены к динамической головке, другой вывод которой присоединен к общему проводу двуполярного блока питания, при этом каждый каскад снабжен отдельным блоком формирования напряжения смещения и блоком питания, причем каждый блок формирования напряжения смещения содержит стабилизатор, который через подстроенный резистор связан с соответствующей базой транзисторных пар Дарлингтона, а каждый блок питания включает фильтрующие конденсаторы.

2. Усилитель мощности звука по п. 1, отличающийся тем, что к каждому каскаду параллельно подключен по меньшей мере один дополнительный каскад.

3. Усилитель мощности звука по п. 2, отличающийся тем, что содержит терморезисторы (термисторы), размещенные между эмиттерами и базами выходных транзисторов транзисторных пар Дарлингтона.