Способ преобразования широкополосного электрического сигнала в акустический Советский патент 1993 года по МПК H04R9/00 

Изобретение относится к радиоэлектро- нике и может быть использовано для преобразования широкополосного электрического сигнала в акустический в электроакустических устройствах.

Цель предложения - повышение качества преобразования сигнала за счет уменьшения уровня нелинейных искажений.

На фиг. 1 приведена схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - схема одного из возможных вариантов усилителя, в котором обеспечивается усиление сигнала в режиме класса А.

Предлагаемый способ состоит в следующем. Исходные широкополосный электрический сигнал с полным частотным диапазоном разделяют на п сигналов по п частотным поддиапазонам. Каждый из сигналов усиливают по мощности и затем преобразуют в акустический; при этом усиление по мощности по крайней мере одного из п сигналов,

например самого высокочастотного, производят в режиме класса А, а всех остальных из п сигналов - в режиме класса АВ или В. При делении по частотным поддиапазонам в усовершенствованном способе исходят из того, что для исходного широкополосного сигнала максимальные пиковые Umi значения п узкополосных составляющих сигналов и их мощности Pmi примерно равны и ограничены значением

Р

где RH - сопротивление нагрузки, т.е. сопротивление электроакустического преобразователя.

Следовательно, при таком способе преобразования максимальные пиковые значения напряжения преобразуемого широкополосного сигнала определяются суммарной величиной

(Л

С

00

о

4 О

со

UM- Ј

Um|:-Um1+Um2+....

I 1

Соответственно максимальная пиковая мощность такого широкополосного сигнала и соответствующая ему мощность однока- нального широкополосного усилителя (мощности) определяется величиной

р -UM П2. Uml 2.

Pml.

Т.е. требуемая мощность п узкополосных усилителей мощности п канального преРмобразующего устройства в раз

меньше требуемой мощности широкополосного усилителя одноканального преобразующего устройства, а мощность одного из п узкополосных усилителей мощности п канального преобразующего устройства в п2 раз меньше мощности одноканального широкополосного усилителя. Например, при максимальная мощность узкополосного усилителя одного поддиапазона в раз меньше максимальной мощности широкополосного усилителя.

Поэтому же при использовании режима класса А в одном канале усиления, например, высокочастотного поддиапазона, мощность, потребляемая таким усилителем по цепям питания, в pfea меньше, чем при использовании широкополосного усилителя в режиме класса А.

Как известно, коэффициент полезного действия (КПД) усилителя в режиме класса А не превышает 50% (при максимальной мощности выходного сигнала). Принимая мощность Pmi одного узкополосного усилителя равной величине порядка 5 Вт, получим суммарную мощность п усилителей.

5 Рт1 Рт1 П 5-4 20Вт(), 1 1.

где Umi (при ), преобразуемого сигнала одноканального широкополосного усилителя Рм Рт1-п2 в Вт. Следовательно, в случае использования в режиме класса А в одном узкополосном усилителе п канального преобразователя мощность РпитАу, потребляемая им по цепям.питания, больше или равна

PnumAY - 2 Pmi

и для нашего примера PnumAY: 5-10 Вт; для широкополосного усилителя соответственно потребляемая мощность

РпитАШ РтГ П2. PnumAY 2- ВТ.

Таким образом, она в п2 (в данном случае п 4 16) раз больше. Причем эта потребляемая мощность не зависит от уровня выходного преобразуемого сигнала и должна рассеиваться выходными транзисторами.

Очевидно, в последнем случае осуществить это значительно сложнее, т.к. требует или более высокой мощности выходных транзисторов в п2 (16 раз), или увеличения их числа

л

в п (16) раз, кроме того, должна быть увеличена и площадь радиаторов выходных транзисторов, и объем аппаратуры, что позволило бы рассеивать эту мощность и избежать перегрева аппаратурного комплекса.

С точки зрения выигрыша по рассеиваемой мощности преимущества предлагаемого способа очевидны,

Рассмотрим сравниваемые варианты преобразования сигналов с точки.зрения наиболее заметных на слух нелинейных ин0 термодуляцт/юнных искажений широкополосного сигнала.

Частотные составляющие широкополосного сигнала, например музыкального, который в общем случае по спектру э квива5 лентен шумовому сигналу, распределяются в полосе частот приблизительно равномерно, поэтому количество его частотных cocjas- ляющих в той или иной полосе примерно пропорционально абсолютному значению

0

полосы частот рассматриваемого участка

спектра (поддиапазона). Соответственно высокочастотный (4-20) кГц участок звукового диапазона широкополосного сигнала содержит в несколько раз большее число частотных 5 составляющих, чем аналогичный ему (по относительному значению ширины полосы) более низкочастотный участок, например, 800 Гц - 4кГц(160Гц-800Гц, 30 Гц-160 Гц). Поэтому можно считать, что сокращение ПОЛОСУ час0

5

тот поддиапазона в несколько раз уменьшает число частотных составляющих сигнала в этом поддиапазоне примерно во столько же раз. В случае нелинейности элементов усилителя сокращение числа составляющих сигнала в р раз сокращает количество комбинационных составляющих в простейших случаях суммарных и разностных комбинаций по 2 (3) соответственно в р2 (р3) раз.

Теперь необходимо рассмотреть вопрос о мощности, потребляемой по цепям питания усилительным устройством. Введение режима А в одном поддизпазоне повышает потребляемую всем усилительным устройством мощность значительно меньше - в п раз (16 раз при ), чем в случае перевода в режим А эквивалентного (по максимальному) уровню преобразуемого широкополосного сигнала) одноканального широкополосного усилителя и в п раз (в 4 раза при ) чем в случае перевода в режим А всех п каналов усиления п канального устройства.

Таким образом, предлагаемое усовершенствование способа преобразования позволяет повысить качество преобразования сигнала путем снижения уровня нелинейных, в частности интермодуляционных, искажений в несколько (порядка 10 и более) раззасчетиспользования режима усиления сигнала в классе А при затратах мощности по цепям питания усилительного устройства в несколько (п ) раз меньших, чем в известных устройствах преобразования широкополосных сигналов.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, приведено на чертеже.

Оно содержит: 1 - источник широкополосного электрического сигнала; 2, - блок регулировки уровня сигнала; 3 - частотно- разделительные фильтры; 4 - регуляторы уровня сигнала; 5 - усилители мощности; 6 - усилитель мощности высокочастотного поддиапазона; 7 - преобразователи электрического сигнала в акустический.

Схема одного из вариантов усилителя, работающего в режиме класса А,-приведена на фиг.2, где 8 - операционный усилитель; 9,10- транзисторы эмиттерного повторителя; 11, 12 - транзисторы токостабилизирую- щего каскада.

На фиг. 1 источник 1 исходного широкополосного электрического сигнала соединен через блок 2 регулировки уровня сигнала с частотно-разделительными фильтрами 3, выходы фильтров 3 через регуляторы уровня 4 соединены с усилителями мощности 5,6, которые по выходу соединены с электроакустическими преобразователями 7.

Работа устройства происходит следующим образом. Исходный широкополосный электрический сигнал от источника 1 через блок 2 регулировки уровня поступает на частотно разделительные фильтры 3, с помощью которых весь частотный диапазон сигнала разделяется на несколько поддиа- пазонов; частоты среза фильтров соотносятся таким образом, что верхняя частота среза частотного поддиапазона равна нижней частоте среза следующего за ним более

высокочастотного поддиапазона; сформированные фильтрами 3 узкополосные электрические сигналы поступают через регуляторы уровня 4 на усилители 5,6. С 5 помощью последних сигналы усиливаются до требуемого уровня, а затем из них преобразователями 7 формируются акустические сигналы.

Таким образом, работа устройства ана- 0 логична работе известного устройства. Отличие в данном случае лишь в том, что в усилителе 6 высокочастотного поддиапазона используется режим А, а в усилителях 5 остальных поддиапазонов - режим АВ (или В)

5 значительно более экономичный. Благодаря использованию режима А в усилителе 6 нелинейные искажения сигнала высокочастотного поддиапазона снижаются на порядок и более; поскольку для комбинационных (ин0 термодуляционных) составляющих этого поддиапазона в общем - суммарном количестве этих составляющих по всем п поддиапазо- нам широкополосного сигнала является подавляющей (порядка 96% и более), снижение

5 их уровня благодаря использованию режима А на порядок и более обеспечивает снижение общего уровня нелинейных интермодуляционных искажений преобразуемого сигнала примерно на порядок; очевидно, в результате

0 снижается заметность искажений преобразу- емого сигнала, повышается его качество. Экономичность же усилительного устройства по сравнению со случаем широкополосного усилителя, работающего в классе А,

5 обеспечивается достаточно хорошей, поскольку постоянно потребляемая одним из п усилителей мощность в п раз (при , п 16) меньше мощности потребляемой широкополосным усилителем, работающим в

0 классе А. Что касается обеспечения работы в режиме А усилителя, то обычно используемые двухтактные усилители мощности могут быть приведены в режим А просто путем увеличения тока покоя до соответствующих

5 значений и необходимого умощнения выходных каскадов за счет увеличения числа параллельно работающих выходных транзисторов или использования более мощных транзисторов.

0Могут использоваться и обычные усилители (однократные), предназначенные для работы только в режиме А (не могут переводиться в режим АВ или В). Они несколько проще двухтактных. Пример одного из воз5 можных вариантов схемы такого усилителя приведен на фиг.2. Здесь увеличение сигнала по уровню (напряжению) производится операционным усилителем 8, а по мощности - выходным эмиттерным повторителем на транзисторах 9, 10 с токозадающим (токостабилизирующим) каскадом на транзисторах 11,12.

Испытания макета устройства, реализующего предлагаемое усовершенствование способа преобразования широкополосного сигнала подтвердили эффективность предлагаемого решения - повышение качества преобразованного сигнала за счет снижения заметности нелинейных искажений при небольшом повышении мощности, потребляемой усилительным устройством, т.е. при сохранении экономичности устройства.

Реализация узлов устройства, реализующих варианты усовершенствования способа преобразования, технических трудностей не вызывает и, как показано выше, в них используются стандартные узлы и элементы, в частности могут быть использованы усилители на транзисторах, микросхемах, PC - фильтры и т.п.

Формула изобретения Способ преобразования широкополосного электрического сигнала в акустический, состоящий в разделении широкополосного электрического сигнала на несколько п сигналов по п частотным поддиапазонам, раздельном усилении по мощности каждого из этих

сигналов и его преобразовании в акустический, отличающийся тем, что, с целью повышения качества преобразования за счет уменьшения уровня нелинейных искажений, усиление по мощности по крайней мере одного из сигналов осуществляют с помощью усилителя мощности класса А, а усиление остальных сигналов - с помощью усилителей мощности класса АВ или В.

Использование: радиоэлектроника, электроакустика. Сущность изобретения: способ преобразования широкополосного электрического сигнала в акустический состоит в разделении широкополосного электрического сигнала на несколько п сигналов по п частотным поддиапазонам, раздельном и усилении по мощности каждого из этих сигналов и его преобразовании в акустический. Причем усиление по мощности по крайней мере одного из п сигналов осуществляют с помощью усилителя мощности класса А, а усиление остальных сигналов с помощью усилителей мощности класса АВ или В. 2 ил.