Усилитель мощности Советский патент 1992 года по МПК H03F3/20 

Ш. (

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к усилительным устройствам, и может быть применено в звукопроизводящей аппаратуре.

Цель изобретения - снижение нелинейных искажений и потребляемой мощности.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема усилителя мощности; на фиг.2, 3 - эквивалентные схемы усилителя мощности.

Усилитель мощности содержит канал усиления 1, выполненный на транзисторах 2 и 3, нагрузке 4, первом и втором разделительных конденсаторах 5 и 6, третьем режимном резисторе 7, источнике питания 8, канал 9 автоматического регулирования режима, выполненный на первом и втором односторонних усилителях-ограничителях 10 и 11, первом и втором сумматорах 12 и 13, первом и втором дополнительных транзисторах 14 и 15, первом и втором режимных резисторах 16 и 17.

Усилитель мощности работает следующим образом.

В статическом режиме, когда на его входных зажимах нет воздействия входного напряжения (Овх 0), рабочие точки усилительных элементов 7, 8, 14, 15 и выходов односторонних усилителей-ограничителей 10 и 11 соответствуют режиму АВ. Для усилительных элементов 14 и 15 данный режим выбирается с помощью режимных резисторов 16 и 17, которые обуславливают протекание через эти элементы незначительных начальных токов н 14 и н 15. Указанные токи по величине много меньше тока с, также протекающего через узлы айв, главным образом определяющего смещение усилительных элементов 2 и 3 в режим АВ и являющегося следствием выбранной величины третьего режимного резистора 8. Это дает право записать следующие выражения для суммарного, смещающего усилительные элементы 2 и 3 тока. Ic,. Ic + 1н14 + 1н15, где

1C (1н14+1н15).

Известно, что если усилительные элементы 2 и 3 являются комплементарно подобранной по параметрам парой (или если приняты специальные меры, сводящие на нет рассогласование их параметров), то их состояние и режим сопротивления нагрузки 4 можно предварительно выразить через их же внутренние сопротивления, обозначив

R 2 , R з и R НА и представить известной эквивалентной схемой (фиг.2), из которой видно, что в статическом режиме АВ в данной цепи будет протекать единственный ток покоя усилительных элементов 2 и 3 I п 2,3 I п2 I пз и соответственно между

узлом а и общей шиной устройства напряжение будет отсутствовать (нет протекания тока Iн4 через сопротивление нагрузки )- Режим односторонных усилителейограничителей 10 и 11 может соответствовать слаботочному режиму А, причем параметры этих односторонних усилителей- ограничителей, а также сумматоров 12 и 13 должны быть строго идентифицированы. Но

для последних данное условие максимально соблюдается при зеркальной и разнострук- турной схемотехнике, так как они должны смещаться по соответствующим входам (-) и (+) в разнополярный режим АВ.

Таким образом, благодаря исходному стаическому режиму АВ усилительное устройство является оптимально экономичным.

В динамическом режиме при воздейст

вии на входные зажимы 1 и 2 устройства

(фиг.1) входного напряжения UBx (для аналитического удобства будем считать в дальнейшем описании это напряжение гармоническим) в канале усиления 1 при разрыве в точке с канала автоматического регулирования режима 9 произойдут следующие изменения. Например, при отрицательной полуволне входного сигнала в узлах айв появятся дополнительные токи I Bxs и , I вхб которые, складываясь в ток Д Вх, вызовут изменение (фиг.2)тока 1п2 в какую-то величину 1К2 In2 + to IBX, а ток пз при этом должен был бы измениться на идентичную,

но убывающую величину 1кз 1пЗ - Кз Д Ux, где К2 и Кз (для обоих выражений) - коэффициенты усиления по току идентичных усилительных элементов 2 и 3. Но так как в данной схеме в динамическом режиме токи П2 и пз

и внутренние сопротивления R 2 и R j3 усилительных элементов 2 и 3 будут изменяться неодинаково из-за , то данное обстоятельство дает возможность, предварительно определив известным образом функцию

переменной составляющей К2 хД1Вх нарастающего коллекторного тока 1К2 усилительного элемента 2 законом

) К2-Д IBX К2Д iexm cos ш t, а функцию переменной составляющей Кз Д1вх убывающего коллекторного тока, 1кЗ функциональным рядом Маклорена - 1з(х)

-Кз Д1вх + 32 A BX m ) + Ki(31 x

«Д|2вх- ГТ1 + -дД 13вхГЛ) X Sin Ш t - К2 (т 32 Д

вх

1 „ЗА I 3.

xm cos 2 сан) - Кз( а°Д I Вх т sin 3 (a t),

где Ко, Кч, К2, Кз - значение коэффициентов передачи по току усилительного элемента 3 в соответствующих координатных точках

аппроксимирующих коэффициентов So, ai, 32, зз, а также обозначив функциональные значения внутренних сопротивлений и R J3 усилительных элементов 2 и 3 соответственно Ri2(A lex) и RJS( Alex) и получив полные функциональные значения токов и 1кЗ коллекторов усилительных элементов 2 и 3, равные IK2 In2 + h(t) и кз 1пЗ - l3(t), преобразовать эквивалентную схему статического режима АВ упомянутых усилительных элементов (фиг.2) в динамическую эквивалентную схему (фиг.З) того же режима АВ. Это дает возможность определить мгновенные токи Н4 в резисторе нагрузки Рн4 из следующего выражения:

U - Jn2 + J2(t) 1кЗ + н4 In3 - | з( ) + 1н4.

Из этого выражения при сокращении равных друг другу постоянных составляющих 1П2 1пЗ определяем ток, протекающий через эквивалентное сопротивление нагрузки RH4, равный (t) - J3(t).

Полученное выражение позволяет утверждать, что при усилении гармонического сигнала (в данном случае 0Вх) каналом усиления 1, работающим в экономическом режиме АВ, его выходной ток Н4, а также его выходное напряжение Овых будут содержать в интервале времени от to до ti множество гармоник из-за нелинейности убывания тока 1кз. Этот интервал соответствует времени возникновения входного напряжения Овх на входных зажимах канала усиления 1 при нулевой начальной фазе этого напряжения, a ti соответствует моменту времени, когда усилительный элемент 3 начинает входить в режим отсечки, характери- зующийся практически отсутствием убывания тока 1кз, т.е. его (lim -О). Данные искажения в виде гармоник, не содержащихся во входном сигнале, четыре раза за период поступления входного сигнала Овх на входные зажимы и будут присутствовать в выходном сигнале Овых, так как при положительной полуволне входного сигнала Овх состояние усилительных элементов 2 и 3 будет меняться на противоположное и аналогичное по абсолютной величине. Наличие этих искажений не дает возможность применять экономический режим АВ в чистом виде (без специальных мер по снижению искажений) в высококачественных звуковоспроизводящих устройствах, в которых уровень нелинейных искажений не должен превышать сотых и тысячных долей процента.

Обеспечить высококачественное звуковоспроизведение и одновременно более эффективное и экономичное потребление энергии от источника питания 7 в сравнении

0

5

5

Ь

5

5

0

с режимом А позволяет введение схематического решения канала автоматического регулирования режима 9, который функционально работает с описанным каналом усилителя 3 мощности следующим образом. При ликвидации разрыва в точке С (фиг.1) и при воздействии на входные зажимы 1 и 2 устройства той же отрицательной полуволны входного напряжения на выходе первого одностороннего усилителя-ограничителя 10 появится усиленная отрицательная полуволна входного напряжения - Овх (пока для простоты восприятия будем считать ее не достигающей уровня ограничения). Соответственно в это время на выходе второго одностороннего усилителя-ограничителя 11 появится такая же отрицательная полуволна, но так как соответствующие сумматоры 12 и 13 задействованы, как это указывалось в описании исходного статического режима в разнополярные режимы АВ, то они по своим выходам могут выполнять только однопо- лярные и разнополярные функции сложения сигналов своих входов. Т.е. для данного случая при совпадении отрицательных знаков напряжений, поступающих на оба входа сумматора 12, на его выходе мы будем иметь некоторое напряжение - AUi2 U п-|2 + О в12 , а на выходе сумматора 13 при несовпадении знаков сигналов на его входах, будет присутствовать убывающее напряжение AU13 Unl3-0 В1з . где в обоих выражениях: ( Uni2l и(иП1з1 соответствующие режиму АВ напряжения покоя соответствующих сумматоров. Под воздействием этих сигналов начальные коллекторные ТОКИ (ТОКИ ПОКОЯ) I H14 И I H15

усилительных элементов 14 и 15, определяемые (выбираемые) значениями режимных резисторов 16 и 17, изменятся на некоторые соответствующие динамические величины In и Msc- , в силу чего полные значения коллекторных токов усилительных элементов 14 и 15 при - Овх 0 можно определить следующими выражениями:

All4 lH14+il4,H Al 15 lHl5-il5., ()

Таким образом суммарный ток, поступающий в узлы а и в из канала автоматического регулирования режима 9, определяется суммой токов:

lap AI14+ AJ15 1н14+ Il4.,+ 1н15-115 Ин14+ 114-v

Однако ток автоматического регулирования Up в свою очередь складывается с током Ic в узлах айв канала усиления 1, в котором токи 1Н14 и 1Н15 были уже учтены в описании статического и динамического режимов. Теперь становится возможным получение полного выражения для зходного

тока усилительных элементов 2 и 3 при lUexl 0 и воздействии на канал усиления 1 канала автоматического регулирования режима 9. Но одновременное наличие в этом выражении полезного усиливаемого сигнала Alex и тока автоматического регулирова- ния lap будет приводить усилительные элементы 2 и 3 (фиг.З) не в одинаковое состояние. Как было показано ранее, ток А Вх будет стремиться уменьшить внутреннее сопротивление Riz(A Bx) и увеличить внутреннее сопротивление Ria( AlBx), а наличие дополнительного тока lap, поступающего из канала автоматического регулирования режима 9, будет изменять внутренние сопротивления Rn2 и Ri3 в сторону их синхронного уменьшения и токи коллекторов IK2 и кз (каждое их мгновенное значение) примут вид:

.l2{t)+K-lap, 1кЗ 1пЗ-1зМ+Ю1ар.

Но теперь из-за синфазного влияния на усилительные элементы 2 и 3 тока lap в динамическом режиме будет соблюдаться условие: Sln3 при ± DBX, т.е. токи 1к2 и кз не будут заходить в область отсечки и коэффициент передачи К станет соответствовать равенству К К2 Кз const. Он окажется практически независимым от этих токов, а токи J2(t) и (т.) будут равны по абсолютной величине

|l2(t)| |1зМ1НКД1вхт-со5 и t j.

Однако функции их будут зеркально противоположны, в силу чего динамический режим усилительных элементов 2 и 3 будет соответствовать экономичному режиму А (экономичному в том смысле, что точки покоя усилительных элементов 2 и 3 могут смещаться в динамическом режиме равно на столько, сколько необходимо, чтобы 1к2 и 1кЗ никогда, ни при каких условиях не занимали бы зон отчески, в то же время не отбирали лишней энергии от источника питания 7, Нелинейные искажения в канале усиления 1 (еще без учета охвата его отрицательной обратной связью) при этом будут минимально достижимыми и свойственными в своих значениях режиму А. Недостиже- ние токами К2 и 1кЗ зоны насыщения обеспечивается использованием усилителей 12 и 13 в режиме ограничения выходных сигналов, чем гарантируется также и защита усилительных элементов 2 и 3 от пробоя, который мог иметь место при неограниченном нарастании тока lap и как следствие тока К-lap.

Теперь необходимо оценить, при любой ли функции (форме) тока К ар условие линейного усиления 1кз 1пЗ и К К2 Кз const

будет выполняться. Совершенно очевидно, что форма указанного тока может быть любой, но только при одном условии, что передний фронт этого тока будет нарастать не

медленнее переднего фронта полезного усиливаемого сигнала А Овх, а это можно гарантировать реализацией (при -UBx) условия Ii4 A IBX, что в свою очередь выполняется при Кю Кц 1, где Кю и KIT коэффициенты передачи односторонних усилителей-ограничителей 10 и 11. Но не только указанными обстоятельствами объясняется необходимость наличия в канале 9 усилителей-ограничителей 10 и 11. Дело в

том, что в некоторые моменты времени между to и ц, соответственно определяющих начало нарастания на входных зажимах и отрицательной полуволны входного напряжения - Овх, и момент, когда под воздействием этой полуволны ток Alis перестает убывать и становится практически равным нулю, в указанном интервале времени происходит частичная компенсация нарастающего тока Ali4 убывающим током Alis в

массе общего тока.

lap A 114+ А115 (1н14+ Ы} + (1н15- Inisj.

Поэтому в интервале от to до ti значение

тока lap может оказаться недостаточным для обеспечения указанных выше условий линейного режима работы усилительных элементов 2 и 3. Поэтому при выборе значений Кюи Кп в выражении Кю Кц 1 необходимо учитывать и это обстоятельство.

Необходимо отметить также, что при значительных коэффициентах передачи Кю и Кц усилителей-ограничителей 10 и 11, а также при искусственном преобразовании

формы выходных напряжений ивю и Ов11 в прямоугольную возможна достаточно эффективная эксплуатация канала усиления 1 в предельно экономичном режиме В, что может оказаться полезным в переносной

звуковоспроизводящей аппаратуре. Однако из-за наличия определенной зависимости между К и АЧХ в усилительных устройствах, а в нашем случае из-за сложности идентификации каналов 1 и 9 применение указанных мер в высококачественых звуковоспроизводимых устройствах не приводит к качественным изменениям, а позволяет лишь снизить потребление энергии от источника питания в сравнении с режимом

АВ.

Поскольку при положительной полуволне входного сигнала UBX, воздействующей с той же амплитудой на входные зажимы 1 и

более экономичным в сравнении с применяемым плавающим режимом.

2 данного усилительного устройства в выражениях

Е « (1с+1н14 ±il4«) + (lH15 ±J15j Ос + lap) ± И „4 l2(t) - l3(t)

изменяются на противоположные только знаки при равных по абсолютной величине токах, то достигаемый при этом эффект необходимо считать равным. Изменится также на противоположное состояние попарных элементов 2 и 3, 12 и 13, 14 и 15 в схеме фиг.1.

Приведенный анализ предлагаемого усилителя мощности, работающего в скачущем режиме, обеспечивает при данном его функциональном построении минимальные искажения, свойственные усилительным устройствам, работающим в режиме А, но об- ладает в сравнении с последними оптимально-экономичным потреблением энергии от источника питания и является

Формула изобретения Усилитель мощности, содержащий ка- нал усиления, выполненный на двухтактном каскаде, транзисторы которого включены по схеме с общим эмиттером, и канал автоматического регулирования режима, первый и второй входы которого являются входами усилителя мощности, отличающийся тем, что, с целью снижения нелинейных искажений и потребления потребля0

5

0

5 0

емой мощности, транзисторы двухтактного каскада выполнены разной структуры, базы которых подключены к первым выводам введенных первого и второго разделительных конденсаторов соответственно, а вторые выводы объединены и являются первым входом усилителя мощности, канал автоматического регулирования режима выполнен в виде первого и второго односторонних усилителей-ограничителей, входы которых являются соответственно первым и вторым входами канала автоматического режима, а выходы подключены к входам первого и второго сумматоров соответственно, другие входы которых являются входами для подключения напряжения смещения соответствующей полярности, а выходы подключены через первый и второй режимные резисторы к шинам питания и непосредственно к базам первого и второго дополнительных транзисторов разной структуры соответственно, при этом эмиттер первого дополни- тельного транзистора соединен с коллектором второго дополнительного транзистора и подключен к базе одного из транзисторов двухтактного каскада, а коллектор первого дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго дополнительного транзистора и подключен к базе другого транзистора двухтактного каскада, причем между базами транзисторов двухтактного каскада введен третий режимный резистор.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к усилительным устройствам, и может быть применено в звукопроизводящей аппаратуре. Цель - снижение нелинейных искажений и потребляемой мощности. Усилитель мощности содержит канал усиления 1, выполненный на двухтактном каскаде, и канал 9 автоматического регулирования режима, выполненный на первом и втором односторонних усилителях-ограничителях 10, 11, первом и втором сумматорах 12 и 13, первом и втором дополнительных транзисторах 14 и 15, первом и втором режимных резисторах 16 и 17. Благодаря такому выполнению канала 9 обеспечивается достижение поставленной цели.3 ил.

к,

д

оо

1-Г С ,

Ни

-о-г;

Фиг.2

u/гЗ