Усилитель мощности

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 F 3/20

Ul

С: V (л)

О 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ

К АВТОРСКОМУ СВИ (21) 4774392/09 (22) 26.12.89 (46) 30.04;92. Бюл. N 16 (71) Всесоюзный государственный научноисследовательский и проектный институт

"В НИ ИПроектэлектромонтаж" (72) А,Г, Болтянский (53) 621.375.026 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 924822, кл. Н 03 F 3/20, 1980. (54) УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к области радиотехники, в частности к усилительным устройствам, и может быть применено в

„„SU„„1730714 А1 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.

1730714

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 (U» = О), 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 !, 15. Указанные токи по величине много меньше тока Ic, также протекающего через узлы а и в, 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

ЗЛЕМЕНтЫ 2 И 3 тОКа. Ic = !с + !н14 + !н15, ГДЕ !

С + (!н14+ !н15).

Известно, что если усилительные эле.менты 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 I3 u R н4 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 и 2 3 = пг = I n3 и соответственно между узлом а и общей шиной устройства напряжение будет отсутствовать (нет протекания тОКа н4 ЧЕРЕЗ СОПрстИВЛЕНИЕ НаГруЗКИ

R н4). Режим односторонных усилителейограничителей 10 и 11 может соответствовать слаботочному режиму А, причем параметры этих односторонних усилителейограничителей, а также сумматоров 12 и 13 должны быть строго идентифицированы. Но для последних данное условие максимально соблюдается при зеркальной и разноструктурной 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 воздействии на входные зажимы 1 и 2 устройства (фиг.1) входного напряжения 0вх (для аналитического удобства будем считать в дальнейшем описании это нап ряжение 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 а И В ПОяВятСя дОПОЛНИтЕЛЬНЫЕ ТОКИ I вх5 И, ! вх5 КОтОрЫЕ, СКЛадЫВаяСЬ В тОК Л !вх, ВЫЗОвУт изменение (фиг.2) тока In2 в какУю-то

ВЕЛИЧИНУ !кг = In2+ К2 I«а тОК !пз ПРИ ЭТОМ должен был бы измениться на идентичную, на убываЮщуЮ ввличину !х3 = !п3 К3 Л !вх, где Кг 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 !пг И !пз и внутренние сопротивления R 2 и R 3 усилительных элементов 2 и 3 будут изменяться неодинаково из-за Кг К3, то данное обстоятельство дает возможность, предварительно определив известным образом функцию переменной составляющей Кг х Авх нараСтаЮЩЕГО КОЛЛЕКтОРНОГО тОКа !хг УСИЛИТЕЛЬного элемента 2 законом

I.,(t) = K2 Л !в = K2h, !«m cos со t, а фУнкцию йеременной составляющей К3 Авх убыВа ЮЩЕГО КОЛЛЕКтОРНОГО тОКа !х3 функциональным рядом маклорена — !3(() = а2 !.вх m

= -Кз Авх = -(Ко(ао + ) + К1(а1 х

» m+ 4Л !»m)xsino) t К2(2 a2Л! вх г 3 3 1

П1 COS 2 В t) — К3(— а и I в, m SiП 3 а t)), 3 3

4 где Кс, К1, К2, Кз — значение коэффициентов передачи по току усилительного элемента 3 в соответствующих координатных точках. 1730714 аппроксимирующих коэффициентов а0, а1, а2, аз, а также обозначив функциональные значения внутренних сопротивлений R i2 и

R;3 усилительных элементов 2 и 3 соответственно Ri2(A I») и R з(Al») и получив

ПОЛНЫЕ фУНКЦИОНаЛЬНЫЕ ЗНаЧЕНИЯ тОКОВ1к2 и 1кз коллекторов усилительных элементов 2 и 3, равные 1кг = 1п2 + 12(т) и 1кз = 1пз - 13(i), преобразовать эквивалентную схему статического режима АВ упомянутых усилительн ы х эл ем енто в (фи г.2) в ди н амичес кую эквивалентную схему (фиг.3) того же режима АВ. Это дает возможность определить мгновенные токи 1н4 в резисторе нагрузки

RÄ4 из следующего выражения:

1к = In2 + 12(l) = 1кз + 1н4 = 1пз 13() + Iн4.

Из этого выражения при сокращении равных друг другу постоянных составляюЩИХ 1п2 = 1пЗ ОПРЕДЕЛЯЕМ тОК, ПРОтЕКаЮЩИй через эквивалентное сопротивление наГРУЗКИ Кн4, РВВНЫй 1н4=12 (1) 13(Т).

Полученное выражение позволяет утверждать, что при усилении гармонического сигнала (в данном случае U») каналом усиления 1, работающим в экономическом режиме АВ, его выходной ток 1,4, а также его

ВЫХОДНОЕ НаПряжЕНИЕ U8blx =RH4 Iн4 будут содержать в интервале времени от 10 до t1 множество гармоник из-за нелинейности убывания тока 1кз. Этот интервал соответствует времени возникновения входного напряжения U» на входных зажимах канала усиления 1 при нулевой начальной фазе этого напряжения, à ti соответствует моменту времени, когда усилительный элемент 3 начинает входить в режим отсечки, характеризующийся 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 U» на входные зажимы и будут присутствовать

В Выходном сигнале 0вых, так как при положительной полуволне входного сигнала U» 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

10 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 — U» (пока для простоты восприятия будем считать ее не достигающей уровня ограничения). Соот15 ветственно 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

20 в описании исходного статического режима. в разнополярные режимы АВ, то они по своим выходам могут выполнять только однополярные и разнополярные функции сложения сигналов своих входов. Т.е, для

25 данного случая при совпадении отрицательных знаков напряжений, поступающих на оба входа сумматора 12, на его выходе мы будем иметь некоторое напряжение - 6012=

= U n12 + U @12 а на выходе сумматора 13

30 при несовпадении знаков сигналов на его входах, будет присутствовать убывающее

НаПряжЕНИЕ Л01З = Оп1З- U в1З 11П1-+О. ГдЕ в обоих выражениях: t Оп12! lU п1з — соответствующие режиму АВ напряжения покоя соответствующих сумматоров. Под воздействием этих сигналов начальные коллекторные токи (токи покоя) I н14 и усилительных элементов 14 и 15. определя40 емые (выбираемые) значениями режимных резисторов 16 и 17, изменятся на некоторые соответствующие динамические величины 114,. и 115, в силу чего полные значения коллекторных токов усилительных

45 элементов 14 и 15 при — UB< Ф О можно определить следующими выражениями:

AI14 = I н14+ 114,, È Л 115 =! н15 115, (lim «0)

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

1ар = Л114+ Ж15 = Iн14+ 114. + 1н15 115,, = lн14+ 114

Однако ток "автоматического регулирования" 1,р в свою очередь складывается с током 1,. в узлах а и в канала усиления 1, в котором тОки 1н14 и Iн15 были уже учтены в описании статического и динамического режимов. Теперь становится возможным получение полного выражения для Входного

1730714 тока усилительных элементов 2 и 3 при

IUexl «О и воздействии на канал усиления 1 канала автоматического регулирования режима 9. Но одновременное наличие в этом выражении полезного усиливаемого сигнала Ж х и тока автоматического регулирован и я lap будет и ри водить усилительные элементы 2 и 3 (фиг.3) не в одинаковое состояние, Как было показано ранее, ток h. Iex будет стремиться уменьшить внутреннее сопротивление R 2(h, !») и увеличить внутреннее сопротивление Rg(А»), а наличие дополнительного тока lap, поступающего из канала автоматического регулирования режима 9, будет изменять внутренние сопротивления В!12 и R!3 в сторону их синхронного уменьшения и токи коллекторов I 2 и !кз (каждое их мгновенное значение) примут вид: ! к2 = !п2 +. !2(т) + K lap ! кз = !пз l3(t) + K lap

Но теперь из-за синфазного влияния на усилительные элементы 2 и 3 тока lap в динамическом режиме будет соблюдаться усЛОВИЕ: !Кз !пз ПРИ Uex т.Е. ТОКИ !к2 И !к3 не будут заходить в область отсечки и коэффициент передачи К станет соответствовать равенству К = K2 = К3 = const, Он окажется практически независимым от этих токов, а токи 12(t) и -I3(t) будут равны по абсолютной величине ! l2(t) = l3(t)I =! КЛ I» m cos в t, .

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

I 3 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, НедостижеНИЕ тОКаМИ lx2 И !кз 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 Iap.

Теперь необходимо оценить, при любой ли функции (форме) тока К Iap условие линейного усиления !кз !п3 и К = К2= К3= const

55 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 Л U«, а это можно гарантировать реализацией (при -U») условия I14 > Л!», что в свою очередь выполняется при К1о = K11> 1, где К1о и K»вЂ” 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 t1, соответственно определяющих начало нарастания на входных зажимах и отрицательной полуволны входного напряжения — Uex, и момент, когда под воздействием этой полуволны ток Ж15 перестает убывать и становится практически равным нулю, в указанном интервале времени происходит частичная компенсация нарастающего тока ЛI14 убывающим током Л!15 в массе общего тока.

lap = Л !14 + Л !15 = (! н14 + l14 ) + (! н15 н15 ).

Поэтому в интервале от to до t1 значение тока lap может оказаться недостаточным для обеспечения указанных выше условий линейного режима работы усилительных элементов 2 и 3. Поэтому при выборе значений

К1о и К11 в выражении К1п = К11> 1 необходимо учитывать и это обстоятельство.

Необходимо отметить также, что при значительных коэффициентах передачи К1о и К11 усилителей-ограничителей 10 и 11, а также при искусственном преобразовании

ФОРМЫ ВЫХОДНЫХ НаПРЯжЕНИй Ue1O И Ue11 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 Uqx, воздействующей с той же амплитудой на входные зажимы 1 и

1730714

10 .

Эиг.2

2 данного усилительного устройства в выражениях

Ice. = ((Ic + 1н14 +l14 ) + (1н15 +115 ))1вх = (Ic+ lap) Л1вх И !н4 = l2(4) 13(С) изменяются на противоположные только 5 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 10 фиг.1.

Приведенный анализ предлагаемого усилителя мощности, работающего в "скачущем режиме", обеспечивает при данном его функциональном построении минимальные 15 искажения, свойственные усилительным устройствам, работающим в режиме А, но обладает в сравнении с последними оптимально-экономичным потреблением энергии от источника питания и является 20 более экономичным в сравнении с применяемым "плавающим режимом", Формула изобретения

Усилитель мощности, содержащий ка- 25 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 30 входами усилителя мощности, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью снижения нелинейных искажений и потребления потребляемой 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 BTopolo 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 дополнительного 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.

1730714

ЗиаЗ

35

45

Составитель Н.Дубровская

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор О.Спесивых

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 с ! !

Заказ 1517 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5