УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ГЕНЕРИРУЕМОГО УСИЛИТЕЛЕМ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ, ДЛЯ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ КОЛОНКИ Российский патент 2020 года по МПК G01R19/00 

Область техники

[01] Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты, для приведения в действие акустической колонки.

Уровень техники

[02] В области электроакустики и, в частности, при генерации звука посредством преобразования электрического сигнала в акустическую волну с помощью акустических колонок, необходимо знать точное значение электрического тока, потребляемого этими акустическими колонками, т.е. мгновенное значение тока электрического сигнала, обеспечивающего питание акустических колонок.

[03] В частности, как и в случае любого преобразования энергии, такое преобразование электрического сигнала в акустическую волну обеспечивает вырабатывание тепловой энергии, и, поэтому, необходимо проверить, что вырабатываемое тепло остается ниже заданной пороговой величины. Этот параметр особенно важен в профессиональных акустических колонках, предназначенных для заполнения звуком больших пространств, вследствие значительного количества используемой энергии. Рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату среднеквадратического значения амплитуды/тока электрического сигнала. Таким образом, зная количество потребляемого тока, можно определить рассеиваемую мощность, а, следовательно, и количество излучаемого тепла.

[04] Такое точное знание величины тока может также использоваться для других целей, например, для точного определения полного сопротивления акустических колонок как функции частоты и выявления громкоговорителей.

[05] Для измерения величины тока электрического сигнала, традиционные методы предлагают использование специализированного дифференциального усилителя, на входе которого имеется сопротивление (шунт для измерения величины тока), обеспечивающее возможность преобразования тока в разность потенциалов.

[06] Однако, усилитель тока такого типа сам по себе чувствителен к синфазному напряжению, присутствующему на измерительном шунте, что неизбежно влечет за собой необходимость использования дорогостоящего высокоточного дифференциального усилителя для достижения требуемых в электроакустике уровней точности.

[07] Таким образом, существует реальная необходимость в устройстве для измерения тока, позволяющем устранить эти недостатки, в частности, в устройстве, обеспечивающем возможность контроля влияния измерений на измеряемый электрический сигнал, уменьшения затрат и повышения чувствительности и точности измерений.

Раскрытие сущности изобретения

[08] Для устранения одного или нескольких упомянутых выше недостатков устройство для измерения электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты, для приведения в действие акустической колонки, содержит:

- шунтирующий резистор, включенный последовательно между усилителем звуковой частоты и акустической колонкой;

- преобразователь напряжение-ток, входы которого соединены с выводами шунтирующего резистора, выполненный с возможностью пропорционального преобразования разности напряжения на выводах шунтирующего резистора в сигнальный ток;

- первое токовое зеркало, вход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-ток, а выход соединен с преобразователем ток-напряжение, таким образом, что выходное напряжение преобразователя ток-напряжение пропорционально сигнальному току.

[09] Кроме того, устройство содержит генератор постоянного тока смещения, соединенный со входом преобразователя напряжение-ток, выход которого соединен с преобразователем ток-напряжение через второе токовое зеркало, и выполненный с возможностью генерирования тока смещения, обеспечивающего работу указанного устройства в линейном режиме без насыщения, независимо от величины электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты.

[10] Дополнительными признаками или примерами осуществления изобретения, которые могут использоваться по отдельности или в комбинации, являются следующие:

- первое и второе токовые зеркала содержат:

- первый резистор и

- первый генератор напряжения смещения, включенные последовательно между входной сигнальной шиной и землей;

- операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен со входной сигнальной шиной первого резистора, инвертирующий вход включен между первым резистором и первым генератором напряжения смещения через второй резистор, а выход соединен с затвором МОП-транзистора, причем исток МОП-транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток, генерирующий ток зеркала, соединен с выходной контактной площадкой;

- генератор тока смещения содержит:

- второй генератор напряжения, выполненный с генерирования опорного напряжения (Vref) между неинвертирующим входом операционного усилителя и третьим генератором отрицательного напряжения смещения, второй вывод которого соединен с землей; а

- инвертирующий вход операционного усилителя соединен с третьим генератором напряжения через резистор, а также с истоком МОП-транзистора с каналом n-типа, сток которого обеспечивает подачу тока смещения на выходную контактную площадку;

- преобразователь напряжение - ток содержит:

- операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со входом шунтирующего резистора через второй резистор, неинвертирующий вход соединен непосредственно с выводом шунтирующего резистора, а выход соединен с затвором МОП-транзистора с каналом n-типа, причем исток МОП-транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток обеспечивает подачу сигнального тока.

Краткое описание чертежей

[11] Для лучшего понимания изобретения следует прочитать описание, приведенное ниже исключительно в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

- на фиг. 1 показана общая принципиальная электрическая схема устройства для измерения согласно одному примеру осуществления настоящего изобретения;

- на фиг. 2 показан детальный вид зеркала сигнального тока устройства, изображенного на фиг 1;

- на фиг. 3 показан детальный вид токового зеркала смещения устройства, изображенного на фиг 1; а

- на фиг. 4 показан детальный вид источника тока смещения устройства, изображенного на фиг 1.

Осуществление изобретения

[12] Во-первых, необходимо напомнить, что электрический ток, генерируемый усилителем звуковой частоты для приведения в действие акустической колонки, имеет характеристики переменного тока, меняющегося в зависимости от тока/напряжения и частоты, которая варьируется от нескольких Гц до примерно 20 кГц.

[13] Со ссылкой на фиг. 1, устройство для измерения электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты для приведения в действие акустической колонки, содержит шунтирующий резистор 1, включенный последовательно между усилителем звуковой частоты и акустической колонкой. Величина r омического сопротивления является очень низкой, порядка 2 мОм, так что оно оказывает лишь минимальное влияние на электрический сигнал.

[14] Первое преобразование напряжение-ток осуществляет преобразователь 3 напряжение-ток, входы которого соединены с выводами шунтирующего резистора. Преобразователь выполнен с возможностью пропорционального преобразования разности напряжений на выводах шунтирующего резистора 1 в сигнальный ток.

[15] Выход преобразователя 3 напряжение-ток соединен с преобразователем 5 ток-напряжение через первое токовое зеркало 7, именуемое также зеркалом сигнального тока. Таким образом, выходное напряжение преобразователя 5 ток-напряжение пропорционально сигнальному току.

[16] Кроме того, для обеспечения непрерывной работы схемы в линейном режиме и без насыщения, независимо от направления тока и полярности синфазного напряжения, устройство также содержит генератор 9 постоянного тока смещения. Этот ток смещения обозначают в дальнейшем Ibias.

[17] Генератор 9 постоянного тока смещения соединен со входом преобразователя 3 напряжение-ток, а выход соединен с преобразователем 5 ток-напряжение через второе токовое зеркало 11.

[18] Таким образом, генератор 9 тока смещения выполнен с возможностью генерирования тока смещения, обеспечивающего работу устройства в линейном режиме и без насыщения, независимо от электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты.

[19] Ниже приведено более подробное описание конструктивного исполнения каждого блока, сопровождающееся описанием его работы.

[20] Преобразователь 3 напряжение - ток содержит:

- операционный усилитель 13, инвертирующий вход которого соединен со входом шунтирующего резистора 1 через второй резистор 15 омической величины R1, неинвертирующий вход соединен непосредственно с выводом шунтирующего резистора 1, а выход соединен с затвором МОП-транзистора 17 с каналом n-типа, причем исток МОП-транзистора (17) соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток обеспечивает подачу сигнального тока.

[21] Первое токовое зеркало 7, именуемое зеркалом сигнального тока, содержит (фиг. 2):

- первый резистор 21 и

- первый генератор 23 положительного напряжения смещения, включенные последовательно между входной сигнальной шиной и землей;

- операционный усилитель 25, неинвертирующий вход которого соединен со входной сигнальной шиной первого резистора 21, инвертирующий вход включен между первым резистором 21 и первым генератором 23 напряжения смещения через второй резистор 27, а выход соединен с затвором МОП-транзистора 29 с каналом р-типа, причем исток МОП-транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток, генерирующий сигнальный ток зеркала, соединен с выходной контактной площадкой.

[22] Устройство второго токового зеркала 11, показанного на фиг. 3, аналогично устройству первого токового зеркала 7. В частности, оно содержит:

- первый резистор 31 и

- первый генератор 33 отрицательного напряжения смещения, включенные последовательно между входной сигнальной шиной и землей;

- операционный усилитель 35, неинвертирующий вход которого соединен со входной сигнальной шиной первого резистора 31, инвертирующий вход включен между первым резистором 31 и первым генератором 33 напряжения смещения через второй резистор 37, а выход соединен с затвором МОП-транзистора 39 с каналом n-типа, причем исток МОП-транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток, генерирующий ток смещения зеркала, соединен с выходной контактной площадкой.

[23] Таким образом, два этих токовых зеркала различаются типами МОП-транзисторов и знаком смещения генераторов напряжения.

[24] И, наконец, генератор 9 тока смещения, содержит (фиг. 4):

- второй генератор 41 напряжения, выполненный с возможностью генерирования опорного напряжения (Vref) между неинвертирующим входом операционного усилителя 43 и третьим генератором 45 отрицательного напряжения смещения, второй вывод которого соединен с землей; а

- инвертирующий вход операционного усилителя соединен с третьим генератором 45 напряжения через резистор 47, а также с истоком МОП-транзистора 49 с каналом n-типа, сток которого обеспечивает подачу тока смещения на выходную контактную площадку.

[25] На входе преобразователя 5 ток-напряжение (фиг. 1) расположен резистор 51, соединенный последовательно с инвертирующим входом операционного усилителя 53, неинвертирующий вход которого соединен с землей. Выход операционного усилителя 53 закольцован на его инвертирующий вход через резистор 55.

[26] Таким образом, во время работы, сигнальный ток и постоянный ток смещения суммируются и протекают в направлении "пути распространения сигнала", включающего в себя первое токовое зеркало 7.

[27] Ток смещения также протекает в направлении "пути смещения", включающем в себя генератор 9 тока смещения и второе токовое зеркало 11.

[28] Кроме того, на входе преобразователя 5 ток-напряжение, токи, протекающие в направлении "пути распространения сигнала" и "пути смещения", суммируются, однако за счет протекания тока смещения в противоположном направлении, его значение на входе преобразователя ток-напряжение будет равно нулю.

[29] Следует отметить тот факт, что приведено описание схемы измерения, в которой использованы только обычные компоненты.

[30] Как правило, операционные усилители представляют собой операционные усилители с низким уровнем шума и эксплуатируются при относительно низких коэффициентах усиления.

[31] Также следует отметить, что преимущество процесса, при котором отсутствует ток смещения на входе преобразователя ток-напряжение, заключается в устранении паразитных токов, возникающих в МОП-транзисторах.

[32] Кроме того, использование управляемых источников тока ограничивает влияние синфазного напряжения по сравнению с разными установками, работающими на основе указателя напряжения.

[33] Таким образом, следует отметить тот факт, что рассматриваемое устройство для измерений обладает низкой себестоимостью и особенно хорошо подходит для использования в области электроакустики.

[34] Устройство также выполнено с возможностью измерения тока нулевой частоты (постоянного тока). Это позволяет, за счет высокого уровня устойчивости к синфазному напряжению, выявить колонку с хорошим соотношением сигнал-шум, даже в присутствии слабого возбуждающего сигнала. Ограничение полосы пропускания устройства, главным образом, рабочими характеристиками операционных усилителей, обеспечивает возможность частого его использования. Эти характеристики обеспечивают, в интервале звуковых частот, низкий уровень затухания и небольшой сдвиг по фазе сигнала в высокочастотном диапазоне. Устройство обеспечивает возможность быстродействующей токовой защиты. Благодаря высокому уровню надежности, оно может использоваться для обеспечения управления колонками по току (создание транскондуктивного усилителя).

[35] Чертежи и приведенное выше подробное описание обеспечивают лучшее понимание настоящего изобретения. Их следует рассматривать в качестве поясняющих примеров, которые не служат ограничительными признаками изобретения. Возможны различные многочисленные примеры осуществления изобретения.

[36] Термин "содержащий" в формуле изобретения не исключает наличия других элементов, а неопределенный артикль "a/an" не исключает большого количества элементов.

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты, для приведения в действие акустической колонки, содержащее: - резистор (1), включенный последовательно между усилителем звуковой частоты и акустической колонкой; - преобразователь (3) напряжение-ток, входы которого соединены с выводами резистора (1), выполненный с возможностью пропорционального преобразования разности напряжения на выводах шунтирующего резистора в сигнальный ток; - первое токовое зеркало (7), вход которого соединен с выходом преобразователя (3) напряжение-ток, а вывод соединен преобразователем (5) ток-напряжение; - генератор (9) постоянного тока смещения, соединенный со входом преобразователя (3) напряжение-ток, выход которого соединен с преобразователем (5) ток-напряжение через второе токовое зеркало (11), и выполненный с возможностью генерирования тока смещения, обеспечивающего работу устройства в линейном режиме и без насыщения, независимо от величины электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты. Технический результат заключается в создании устройства, обеспечивающем возможность контроля влияния измерений на измеряемый электрический сигнал, уменьшения затрат и повышения чувствительности и точности измерений. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты, для приведения в действие акустической колонки, содержащее:

- шунтирующий резистор (1), включенный последовательно между усилителем звуковой частоты и акустической колонкой;

- преобразователь (3) напряжение-ток, входы которого соединены с выводами шунтирующего резистора (1), выполненный с возможностью пропорционального преобразования разности напряжения на выводах шунтирующего резистора (1) в сигнальный ток;

- первое токовое зеркало (7), вход которого соединен с выходом преобразователя (3) напряжение-ток, а выход соединен с преобразователем (5) ток-напряжение таким образом, что выходное напряжение преобразователя ток-напряжение пропорционально сигнальному току; и

- генератор (9) постоянного тока смещения, соединенный со входом преобразователя (3) напряжение-ток, выход которого соединен с преобразователем (5) ток-напряжение через второе токовое зеркало (11), и выполненный с возможностью генерирования тока смещения, обеспечивающего работу указанного устройства в линейном режиме и без насыщения, независимо от величины электрического тока, генерируемого усилителем звуковой частоты.

2. Устройство по п. 1, в котором первое и второе токовые зеркала содержат:

- первый резистор (21, 31) и

- первый генератор (23, 33) напряжения смещения, включенные последовательно между входной сигнальной шиной и землей;

- операционный усилитель (25, 35), неинвертирующий вход которого соединен со входной сигнальной шиной первого резистора, инвертирующий вход включен между первым резистором и первым генератором напряжения смещения через второй резистор (27, 37), а выход соединен с затвором МОП-транзистора (29, 39), причем исток МОП-транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток, генерирующий ток зеркала, соединен с выходной контактной площадкой.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором генератор тока смещения содержит:

- второй генератор (41) напряжения, выполненный с возможностью генерирования опорного напряжения (Vref) между неинвертирующим входом операционного усилителя (43) и третьим генератором (45) отрицательного напряжения смещения, второй вывод которого соединен с землей; а

- инвертирующий вход операционного усилителя соединен с третьим генератором напряжения через резистор (47), а также с истоком МОП-транзистора (49) с каналом n-типа, сток которого обеспечивает подачу тока смещения на выходную контактную площадку.

4. Устройство по пп. 1, 2 или 3, в котором преобразователь напряжение-ток содержит:

- операционный усилитель (13), инвертирующий вход которого соединен со входом шунтирующего резистора (1) через второй резистор (15), неинвертирующий вход соединен непосредственно с выводом шунтирующего резистора, а выход соединен с затвором МОП-транзистора (17) с каналом n-типа, причем исток МОП-транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, а сток обеспечивает подачу сигнального тока.