Симметричный усилитель с обратной связью

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к усилителям, выполненным на электронных компонентах с обратной связью. Симметричный усилитель с обратной связью, содержащий первый и второй операционные усилители, резисторы, содержит в каждом плече входной операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор, образующий отрицательную обратную связь. Усилитель содержит конденсатор, обеспечивающий защиту от постоянной составляющей сигнала, и вторичную обмотку трансформатора, первичная обмотка которого подключена к резистору – датчику тока, стоящему в цепи выхода второго операционного усилителя, работающего в режиме повторителя, причем датчик тока и трансформатор образуют отрицательную обратную связь по току. Достигается повышение глубины обратной связи и снижение нелинейности выходного сигнала. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к усилителям, выполненным на электронных компонентах с обратной связью [H03F 1/32, H03F 1/34, H03F 1/36, H03F 3/45].

Из уровня техники известен УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ [RU 2007846 C1, опубл. 15.02.1994], содержащий дифференциальный усилитель, первый вход и выход которого являются соответственно входом и выходом усилителя напряжения, а второй вход дифференциального усилителя соединен с выходом блока выделения сигнала ошибки, входы которого подключены соответственно к первому входу дифференциального усилителя и выходу аттенюатора, подключенного к выходу дифференциального усилителя, отличающийся тем, что с целью повышения точности компенсации, блок выделения сигнала ошибки выполнен на последовательно соединенных компараторе напряжений с двухполярным выходным напряжением и фильтре нижних частот.

Недостатком аналога является малый коэффициент усиления по току и малая глубина обратной связи.

Также известен ИНВЕРТИРУЮЩИЙ МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЧАСТОТНОЙ ПОГРЕШНОСТИ [RU 2627123 C1, опубл. 03.08.2017], характеризующийся тем, что состоит из первого операционного усилителя, между выходом которого и входом устройства включены первый и второй аналогичные делители из резисторов обратной связи и входных резисторов, общая точка резисторов первого делителя соединена с инверсным входом первого операционного усилителя, неинверсный вход первого операционного усилителя соединен с общей нулевой шиной устройства, второго операционного усилителя, между выходом и инверсным входом которого включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, общая точка резисторов второго делителя подключена к инверсному входу второго операционного усилителя, при этом между выходом первого операционного усилителя и неинверсным входом второго операционного усилителя включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, а между неинверсным входом второго операционного усилителя и общей нулевой шиной устройства включен резистор с сопротивлением, аналогичным параллельно соединенным входному резистору и резистору обратной связи первого операционного усилителя, выход второго операционного усилителя является выходом устройства.

Недостатком аналога является нелинейность выходного сигнала, обусловленная малой глубиной обратной связи.

Наиболее близким по технической сущности является ИНВЕРТИРУЮЩИЙ МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ [RU 2715471 C1, опубл. 28.02.2020], содержащий первый и второй операционные усилители, первый, второй и третий аналогичные резистивные делители, а также регулировочный резистор, первый и второй делители включены между входом и выходом устройства, третий делитель включен между выходом второго операционного усилителя и общей шиной устройства, общая точка резисторов первого делителя соединена с инверсным входом первого операционного усилителя, неинверсный вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной устройства, отличающийся тем, что общая точка резисторов второго делителя соединена с неинверсным входом второго операционного усилителя, а общая точка резисторов третьего делителя - с его инверсным входом, регулировочный резистор включен между выходом второго операционного усилителя и инверсным входом первого операционного усилителя, выход первого операционного усилителя является выходом устройства.

Технической проблемой прототипа является низкий уровень преобразования входного сигнала, обусловленный малым коэффициентом усиления по току и напряжению, ограниченный параметрами источника сигнала и собственного коэффициента усиления усилителя напряжения, а также малой глубиной обратной связи.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение глубины обратной связи и снижение нелинейности выходного сигнала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что симметричный усилитель с обратной связью, содержащий первый и второй операционные усилители, резисторы, отличающийся тем, что содержит в каждом плече входной операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор, образующий отрицательную обратную связь; содержащий конденсатор, обеспечивающий защиту от постоянной составляющей сигнала, и вторичную обмотку трансформатора, первичная обмотка которого подключена к резистору – датчику тока, стоящему в цепи выхода второго операционного усилителя, работающего в режиме повторителя, причем датчик тока и трансформатор образуют отрицательную обратную связь по току.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже показан симметричный усилитель с обратной связью, на которой обозначено: 1 – источник входного сигнала, 2 - входные операционные усилители, 3, 4 - резисторы обратной связи, 5 - конденсаторы, 6 - выходные операционные усилители, 7 - трансформатор, 8 – датчик тока, 9 - резистор, 10 – приемник выходного сигнала.

Осуществление изобретения

Симметричный усилитель с обратной связью содержит в каждом плече входной операционный усилитель 2, к прямому входу которого подключен источник входного сигнала 1.

Выход операционного усилителя 2 соединен с прямым входом операционного усилителя 6 и цепью отрицательной обратной связи, образованной резисторами 3, 4, конденсатором 5 и вторичными обмотками трансформатора 7. В выходной цепи операционных усилителей 6 находятся приемник выходного сигнала 10 и датчик тока 8, параллельно которому подключена первичная обмотка трансформатора 7.

Такое техническое решение обеспечивает реализацию усилителя с симметричной архитектурой и симметричным входом по схеме источника тока, управляемого напряжением (схема ИТУН).

Схема ИТУН оправдывает себя при работе на однополосные или двухполосные системы с простейшими фильтрами не выше первого порядка (конденсатор последовательно твиттеру).

При необходимости на схеме чертежа перед входом приемника выходного сигнала 10 может быть добавлен резистор 9, выполняющий роль балластной нагрузки, которая сглаживает нелинейность импеданса динамической колонки. Резистор 9 не является необходимым, не влияет на достижение заявленного технического результата и может использоваться в схеме чертежа только для конкретных целей подавления постоянных скачков нагрузки, если возникает такая потребность.

Симметричный усилитель с обратной связью используют следующим образом.

Сигнал с источника входного сигнала 1 подают на неинвертирующий вход операционного усилителя 2.

Операционный усилитель 2 увеличивает входной сигнал по напряжению в соответствии с его коэффициентом усиления в зависимости от номинальных величин резистора обратной связи 3 и резистора 4, образующего, вместе с конденсатором 7 и вторичной обмоткой трансформатора, отрицательную обратную связь операционного усилителя 2.

Усиленный по напряжению сигнал с выхода операционного усилителя 2 подают на неинвертирующий вход операционного усилителя 6 с отрицательной обратной связью, на котором за счет прямого соединения петли обратной связи осуществляют увеличение входного сигнала по току.

С линии обратной связи операционного усилителя 6 усиленный по току сигнал подают на датчик тока 8. Напряжение с выводов датчика тока 8 подают на первичную обмотку трансформатора 7, с вторичной обмотки которого полученное преобразованное напряжение в соответствии с коэффициентом трансформации подают в петлю обратной связи через резистор обратной связи на инвертирующий вход операционного усилителя 2.

Повышение глубины обратной связи достигается за счет того, что выходные операционные усилители 6 имеют скорость нарастания выходного сигнала существенно ниже, чем входные операционные усилители 2 в силу их специфики работы и конструкции. Кроме того, в моменты отставания выходного сигнала от входного увеличивается коэффициент усиления входных операционных усилителей, и таким образом увеличивается скорость формирования выходного сигнала, что снижает погрешности в работе усилителя. По этой причине снижается и нелинейность схемы. Связано это с тем, что в случае, когда сигнал меняется с большой скоростью, схема ведет обработку с меньшей погрешностью, что и является по сути уменьшением искажений, а следовательно, повышает линейность схемы.

Коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя 2 происходит в результате снижения глубины операционного усилителя по току в моменты отставания выходного тока от его идеальной формы. В данном случае согласно изобретению мы имеем комбинированную схему обратной связи по напряжению и по току, что создает оптимальный режим работы усилителя и позволяет получить качественно другой звук.

Проверка данной схемы проводилась с использованием колонок S-90, размещенных в актовом зале 600 м². Был изготовлен усилитель согласно схеме, показанной на чертеже.

Для контрольного сравнения использовались те же колонки с обычным усилителем - модуль RDC2-0029a (усилитель класса D мощностью 2 × 300 Вт с аналоговыми входами и встроенной замкнутой обратной связью известной как технология PurePath™ Premier от Texas Instruments (TI), построен на микросхеме TAS5630bPHD; стереофонический аналоговый чип с цифровым усилителем Power Stage, см.: https://www.chipdip.ru/product/rdc2-0029a).

Для оценки качества звука были приглашены 3 дирижера и 2 композитора.

Были проиграны 12 мелодий симфонического оркестра.

Специалистами звук колонок с усилителем, согласно заявленному изобретению, на слух был оценен как более точный и соответствовал настоящему звуку музыки в том виде, как ее играет живой симфонический оркестр.

Симметричный усилитель с обратной связью, содержащий первый и второй операционные усилители, резисторы, отличающийся тем, что содержит в каждом плече входной операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор, образующий отрицательную обратную связь; содержащий конденсатор, обеспечивающий защиту от постоянной составляющей сигнала, и вторичную обмотку трансформатора, первичная обмотка которого подключена к резистору – датчику тока, стоящему в цепи выхода второго операционного усилителя, работающего в режиме повторителя, причем датчик тока и трансформатор образуют отрицательную обратную связь по току.