Способ звукоусиления с токовым управлением электродинамическим громкоговорителем и усилитель мощности для активных акустических систем

 

Изобретение относится к технике звукоусиления и может использоваться в усилителях мощности, нагруженных на электродинамические преобразователи, в том числе на электродинамические громкоговорители (ЭДГ). Технический результат - возможность с любой заданной точностью обеспечить линейность выходного тока через ЭДГ, снижение потребляемой мощности, упрощение. Это достигается за счет того, что входной сигнал одновременно подается на два усилителя мощности, а ток через ЭДГ пропускают с выхода усилителя мощности, контролирующего напряжение, на выход усилителя мощности, контролирующего ток, причем последний переводят в режим потребления тока с помощью инвертирования входного сигнала. Входной сигнал на усилитель мощности, контролирующий ток, пропускают дополнительно через корректирующий фильтр, частотная характеристика которого компенсирует частотную характеристику полного сопротивления ЭДГ в рабочем диапазоне частот. При этом существенно снижаются нелинейные и интермодуляционные искажения ЭДГ, снижается потребляемая мощность, так как основная мощность в ЭДГ поступает от усилителя напряжения, который может работать в экономичном режиме. 2 c.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике звукоусиления и может использоваться в усилителях мощности, нагруженных на электродинамические преобразователи, в том числе на электродинамические громкоговорители (ЭДГ).

Электродинамические громкоговорители в диапазоне рабочих частот имеют изменяющийся характер комплексного сопротивления и требуют подведения сигнала от усилителя мощности, контролирующего напряжение (усилителя напряжения), для получения горизонтальной частотной характеристики создаваемого звукового давления.

Известно [1], что нелинейные и интермодуляционные искажения ЭДГ значительно снижаются при подведении сигнала от усилителя мощности, контролирующего ток (усилителя тока).

Известен способ [2 - 5], в котором сигнал на ЭДГ подается одновременно от двух усилителей напряжения через мостовую схему, причем один из усилителей является основным, а второй служит для компенсации нелинейности тока через ЭДГ.

Недостатком известного способа является сложность реализации и принципиальная невозможность полной компенсации нелинейности тока через ЭДГ.

Известен способ [6], в котором сигнал на ЭДГ подается от усилителя тока, а сигнал на вход усилителя поступает через корректирующий фильтр, частотная характеристика которого компенсирует частотную характеристику модуля полного сопротивления ЭДГ.

Недостатком известного способа являются большие потери мощности в усилителе, так как он должен обеспечивать одновременно большие значения выходного тока при минимуме комплексного сопротивления ЭДГ и большие значения напряжения при его максимуме.

Техническим результатом предложенного способа является устранение указанных выше недостатков, то есть упрощение, снижение потребляемой мощности и возможность с любой заданной точностью обеспечить линейность выходного тока.

Технический результат достигается за счет того, что при реализации способа звукоусиления с токовым управлением электродинамическим громкоговорителем (ЭДГ), в соответствии с которым электродинамическим громкоговорителем управляют от усилителя тока, а входной сигнал на вход упомянутого усилителя пропускают через корректирующий фильтр, частотная характеристика которого компенсирует частотную характеристику полного сопротивления ЭДГ, и схему преобразования напряжения в ток, входной сигнал одновременно подают на усилитель напряжения, весь выходной ток которого, проходящий через ЭДГ, также пропускают через выход усилителя тока, при этом входной сигнал на вход усилителя тока дополнительно пропускают через инвертор.

Способ можно реализовать с помощью усилителя мощности для активных акустических систем, содержащего последовательно соединенные источник входного сигнала, корректирующий фильтр, частотная характеристика которого компенсирует частотную характеристику полного сопротивления ЭДГ, преобразователь напряжения в ток, усилитель тока и электродинамический громкоговоритель, при этом источник входного сигнала одновременно соединен с неинвертирующим входом усилителя напряжения, выход которого через последовательно соединенные громкоговоритель и датчик тока подключен к выходу усилителя тока, при этом источник входного сигнала через фильтр и преобразователь напряжения в ток подключен к инвертирующему входу усилителя тока, неинвертирующий вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, оба входа которого подключены к датчику тока таким образом, что через дифференциальный усилитель образуется цепь отрицательной обратной связи по току, кроме того, выход усилителя напряжения через делитель напряжения соединен с его инвертирующим входом, а общие выводы источников питания усилителя напряжения и усилителя тока объединены.

Предложенный способ обеспечивает токовое управление громкоговорителем при значительном снижении требований к усилителю тока, так как основная мощность в громкоговоритель поступает от усилителя напряжения, который может работать в экономичном режиме АВ. Кроме того, усилитель тока компенсирует нелинейные искажения, вносимые усилителем напряжения.

На фиг. 1 представлена структурная схема, поясняющая предложенный способ; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений и тока через электродинамический громкоговоритель; на фиг. 3 - структурная схема варианта усилителя мощности; на фиг. 4 - пример частотной характеристики модуля полного сопротивления ЭДГ; на фиг. 5 - схема корректирующего фильтра.

Входной сигнал от источника 1 поступает через усилитель напряжения 2 на ЭДГ 3. Одновременно входной сигнал через корректирующий фильтр 4, инвертор 5, преобразователь напряжения в ток 6 подается на усилитель тока 7, выходной ток которого проходит через ЭДГ 3.

Усилитель напряжения 2 обеспечивает соответствие в точке а (фиг. 1) выходного напряжения входному, а нижняя по схеме ветвь обеспечивает соответствие тока через ЭДГ 3 противофазному входному напряжению с учетом изменения полного сопротивления ЭДГ в рабочем диапазоне частот.

В гипотетическом случае, при отсутствии нелинейных искажений в ЭДГ 3 и усилителе напряжения 2, выходное напряжение усилителя тока 7 близко к нулю. На временной диаграмме фиг. 2 показана форма напряжения на ЭДГ Ua, Ub и форма тока I через ЭДГ для случая, когда нелинейные искажения вносит усилитель напряжения 2, например, из-за ограничения входного сигнала. Аналогично, напряжение на выходе усилителя тока 7 появляется и при компенсации искажений, вносимых ЭДГ.

Таким образом, выходная мощность усилителя тока 7 определяется из условия компенсации возможных нелинейных искажений ЭДГ 3, усилителя напряжения 2, неточности компенсации фильтром 4 изменяющегося в диапазоне частот полного сопротивления ЭДГ 3 и может составлять небольшую часть от необходимой выходной мощности усилителя.

В состав предложенного усилителя мощности, реализующего способ, входит корректирующий фильтр, параметры которого однозначно связаны с параметрами используемого ЭДГ. Поэтому предлагаемый способ наиболее эффективно использовать в активных одно- или многополосных акустических системах, в которых для каждого ЭДГ предусматривается свой усилитель мощности, а разделение частотных полос усиления производится до входов усилителей.

При реализации предложенного способа звукоусиления можно использовать любые известные усилители напряжения и тока, как с обратной связью, так и без нее.

Наиболее экономичным является использование в усилителе напряжения 2 и усилителе тока 7 серийных интегральных микросхем усилителей мощности низкой частоты. Схема такого варианта усилителя мощности для активных акустических систем приведена на фиг. 3. Входной сигнал от источника 1 поступает на неинвертирующий вход усилителя напряжения 2, с выхода которого напряжение отрицательной обратной связи через делитель напряжения на двух резисторах 8 и 9 подается на инвертирующий вход первого усилителя мощности 10. Одновременно входной сигнал через корректирующий фильтр 4 и резисторный делитель напряжения 6 и 11 подается на инвертирующий вход второго усилителя мощности 12. Весь выходной ток первого усилителя 10 через ЭДГ 3 и датчик тока 13 проходит на выход усилителя 12, который работает в режиме потребления тока, так как входной сигнал поступает на его инвертирующий вход. С обоих выводов датчика тока 13 сигнал подается на входы дифференциального усилителя 14, преобразующего токовый сигнал в напряжение ошибки, поступающее на неинвертирующий вход усилителя 12. Входы дифференциального усилителя 14 подключены к датчику тока таким образом, что образуется цепь отрицательной обратной связи по току.

В многополосных акустических системах частоты раздела обычно выбираются так, чтобы для ЭДГ средних и высоких частот их собственные резонансные частоты не попадали в их рабочий диапазон. При этом эквивалентная схема ЭДГ в первом приближении может быть представлена в виде последовательно соединенных резистора и индуктивности, а частотная характеристика модуля полного сопротивления имеет вид, представленный на фиг. 4. Для этого случая в качестве иллюстрации на фиг. 5 приведена схема корректирующего фильтра, содержащего два резистора 16, 17 и конденсатор 18.

Эффективность предложенного способа более высока, поскольку в отличие от известных он позволяет существенно снизить требования к выходной мощности усилителя тока и к качественным параметрам усилителя напряжения при резком снижении нелинейных и интермодуляционных искажений ЭДГ. Предложенный способ может также использоваться при управлении любыми другими электродинамическими преобразователями, работающими в широком диапазоне частот.

Использованные источники: 1. Mills P. G.L., Hawksford М.О.J. Distortion Reduction in Moving-Coil Loudspeaker Systems Using Current-Drive Technology, - JAES, vol. 37, 3, 1989, March, p. 129-148.

2. ЕР 0198478 А2 (Matsushita Electric Industrial), 22.10.1986, H 03 F 1/34.

3. WO 95/17041 Al (National Semiconductor Corporation}, 22.06.1995, H 03 F 1/34.

4. HiFi-Endverstarker, - RFE, 1994, 1, р. 39, 40.

5. Режим класса "АА" в усилителях "Technics", - Радио, 1998, 5, стр. 56, 57.

6. GB 2068680 A (Hitachi Ltd.), 12.08.1981, H 04 R 3/08.

7. SU 1649639 Al (Хазанов А.А.), 15.05.1991, H 03 F 1/32.

8. US 5245296 A (Francis A. Miller и др.), Sep. 14, 1993, H 03 F 1/34 (330-85).

Формула изобретения

1. Способ звукоусиления с токовым управлением электродинамическим громкоговорителем (ЭДГ), в соответствии с которым электродинамическим громкоговорителем управляют от усилителя тока, а входной сигнал на вход упомянутого усилителя последовательно пропускают через корректирующий фильтр, частотная характеристика которого компенсирует частотную характеристику полного сопротивления ЭДГ, схему преобразования напряжения в ток и инвертор, отличающийся тем, что входной сигнал подают на усилитель напряжения, весь выходной ток которого, проходящий через ЭДГ, также пропускают через выход усилителя тока.

2. Усилитель мощности для активных акустических систем, содержащий электродинамический громкоговоритель (ЭДГ) и последовательно соединенные источник входного сигнала, корректирующий фильтр, частотная характеристика которого компенсирует частотную характеристику полного сопротивления электродинамического громкоговорителя (ЭДГ), и преобразователь напряжения в ток, выход которого подключен к инвертирующему входу усилителя тока, отличающийся тем, что источник входного сигнала соединен с неинвертирующим входом усилителя напряжения, выход которого через последовательно соединенные ЭДГ и датчик тока подключен к выходу усилителя тока, при этом неинвертирующий вход усилителя тока соединен с выходом дифференциального усилителя, оба входа которого подключены к датчику тока таким образом, что через дифференциальный усилитель образуется цепь отрицательной обратной связи по току, кроме того, выход усилителя напряжения через делитель напряжения соединен с его инвертирующим входом, а общие выводы источников питания усилителя напряжения и усилителя тока объединены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5