Спосіб двотактного підсилення електричного сигналу з нерівномірним спектром

Настоящее изобретение относится к области двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром и может быть использовано для усиления мощности (оконечного усиления} звуковых сигналов. Может быть использовано для высококачественного звукоусиления, звукового вещания. В настоящее время в области звукоусиления широкое применение находит способ двухтактного усиления сигнала. Способ заключается в усилении сигнала в режиме В или AB. Уже известен способ двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром в режиме В [1, с. 206]. Он заключается в том, что часть усилительных элементов нелинейно преобразует (усиливает) положительную полуволну сигнала, другая же часть усилительных элементов нелинейно преобразует (усиливает) отрицательную полуволну сигнала. Сигналы, усиленные обоими частями, складываются после этого в нагрузке. Передаточная характеристика усилительных элементов - зависимость уровня выходного сигнала от уровня входного сигнала - нелинейна, поэтому процесс усиления сопровождается появлением нелинейных искажений, изменяющих форму усиливаемого сигнала. В процессе двухтактного усиления электрического сигнала в режиме В особенно велики переходные нелинейные искажения в области малых уровней сигнала (искажения типа "ступенька"), поскольку в этой области усиление усилительных элементов стремится к нулю, а передаточная характеристика нелинейна, имеет S-образную форму. Недостаток способа двухтактного усиления электрического сигнала в режиме В - большие переходные нелинейные искажения, что приводит к искажениям формы усиливаемого сигнала, появлению паразитных призвуков, искажению тембра звучания и в целом к снижению качества усиления. Ближайшим по технической сущности к предлагаемому является способ двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром в режиме AB [1, с. 187-192]. Существующий способ двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром в режиме AB заключается в поочередном нелинейном преобразовании положительных и отрицательных полуволн сигнала. В нем также, как и в режиме В, часть усилительных элементов нелинейно преобразует (усиливает) положительную полуволну сигнала, а другая часть усилительных элементов нелинейно преобразует (усиливает) отрицательную полуволну сигнала. Но в существующем способе двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром в режиме AB не используют наиболее нелинейную часть передаточной характеристики усилительных элементов. Для этого усилительные элементы открывают небольшим током смещения, обычно составляющим несколько процентов от максимального тока этих элементов. Поэтому даже при отсутствии входного сигнала усилительные элементы остаются открытыми, усиление последних больше нуля и передаточная характеристика становится более линейной, чем в способе двухтактного усиления электрического сигнала в режиме В. Однако, для способа двухтактного усиления электрического сигнала в режиме AB переходные нелинейные искажения все еще велики для высококачественного звукоусиления. Так, если для максимальных уровней усиливаемого сигнала переходные нелинейные искажения составляют сотые доли процентов, то на малых уровнях усиливаемого сигнала они достигают единиц процентов. В результате качество усиления сигнала снижается, В основу изобретения поставлена задача создания способа двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром, в котором за счет амплитудно-частотного предыскажения увеличивают уровень слабой спектральной составляющей сигнала, что позволяет уменьшить переходные нелинейные искажения усиливаемого сигнала для этой составляющей. Поставленная задача решается тем, что в способе двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром, заключающемся в поочередном нелинейном преобразовании положительных и отрицательных полуволн сигнала, согласно изобретению перед операцией нелинейного преобразования уровни спектральных составляющи х усиливаемого сигнала, величина которых менее максимального уровня, поднимают до уровня, непревышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре усиливаемого сигнала путем амплитудно-частотных предыскажений сигнала, а после операции нелинейного преобразования осуществляют компенсацию внесенных искажений путем амплитудно-частотной коррекции. Существенный признак предлагаемого способа, являющийся общим с признаком известного способа двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром, т. е. не представляющий в общем виде новизны, является операция поочередного нелинейного преобразования положительных и отрицательных полуволн сигнала. К новым существенным признакам изобретения относятся следующие: - перед операцией поочередного нелинейного преобразования положительных и отрицательных полуволн сигнала уровни спектральных составляющих усиливаемого сигнала, величина которых менее максимального уровня, поднимают до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре усиливаемого сигнала путем амплитудно-частотных предыскажений сигнала; - после операции поочередного нелинейного преобразования положительных и отрицательных полуволн сигнала осуществляют компенсацию внесенных искажений путем амплитудно-частотной коррекции. Сущность изобретения заключается в следующем. В результате проведенной исследовательской работы создан новый способ двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром, в котором благодаря введению в известный способ двух новый операций: - поднятия уровней спектральных составляющи х усиливаемого сигнала, величина которых менее максимального уровня, до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре усиливаемого сигнала путем амплитудно-частотных предыскажений сигнала, проводимого перед операцией поочередного нелинейного преобразования положительных и отрицательных полуволн сигнала; - компенсации внесенных искажений путем амплитудно-частотной коррекции после операции поочередного нелинейного преобразования положительных и отрицательных полуволн сигнала, удалось получить качественно новый результат - уменьшить переходные нелинейные искажения при двухтактном усилении сигнала, что снижает уровни паразитных призвуков, уменьшает искажения тембра звучания и в целом повышает качество усиления. На фиг. 1 изображены амплитудно-частотные характеристики относительных уровней: - спектральных составляющи х сигнала звукового ве щания (линия I): - спектральных составляющи х сигнала на входе двухтактного усилителя (линия II); - предыскажений (линия III); на фиг. 2 - функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Усиливаемый сигнал подвергают амплитудно-частотным предыскажениям с помощью активного амплитудно-частотного корректора. Предыскажениям подвергают спектральные составляющие усиливаемого сигнала, уровни которых ниже максимального. Предыскажения заключаются в поднятии этих уровней до значения, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющи х в спектре усиливаемого сигнала. Далее сигнал подвергают операции двухтактного усиления, а после этого - операции амплитудно-частотной коррекции с помощью амплитудно-частотного корректора. В предлагаемом способе двухтактного усиления электрического сигнала, заключающемся в поочередном нелинейном преобразовании положительных и отрицательных полуволн сигнала, предусмотрено следующее. Перед операцией нелинейного преобразования производят предыскажения уровней усиливаемого сигнала следующим образом. Частотная зависимость уровней спектральных составляющи х усиливаемого сигнала звукового вещания в относительных единицах изображена на фиг. 1 линией I. Как видно из фиг. 1, линии I, на частотах звукового диапазона около 200 Гц уровни спектральных составляющи х достигают максимума. В этой области уровни спектральных составляющих не меняют. Уровни же спектральных составляющих для остальных частот звукового диапазона поднимают до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющи х в спектре усиливаемого сигнала. В результате предлагаемых предыскажений спектр усиливаемого сигнала из неравномерного преобразуют в равномерный. На фиг. 1 линия II показывает преобразованный таким образом спектр усиливаемого сигнала, уровни спектральных составляющих сигнала перед операцией двухтактного усиления одинаковы для всех частот и равны максимальному значению уровня в спектре усиливаемого сигнала. Коэффициент переходных нелинейных искажений зависит от величины предыскажений. Если предыскажения равны нулю, нет и снижения коэффициента переходных нелинейных искажений, этот случай соответствует способу-прототипу. Если же с помощью предыскажений увеличить уровень спектральной составляющей сигнала, для последней снизится коэффициент переходных нелинейных искажений. Так, если на какой-либо частоте повысить уровень сигнала на 6 дБ, коэффициент переходных нелинейных искажений этого сигнала снизится вдвое. Однако, величина снижения коэффициента переходных нелинейных искажений в предлагаемом способе ограничена. Когда уровень спектральной составляющей сигнала увеличивают до значения, превышающего максимальный уровень в спектре усиливаемого сигнала, снижаются переходные нелинейные искажения, но резко возрастают искажения ограничения (перегрузки) и в результате суммарные искажения растут. Таким образом, предлагаемый способ двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром позволяет снизить коэффициент переходных нелинейных искажений сигнала в процессе двухтактного усиления во всем рабочем диапазоне частот кроме тех частот, на которых уровни спектральных составляющих сигнала максимальны. Очевидно, что амплитудно-частотная характеристика предыскажений зависит от вида усиливаемого сигнала. Чтобы достичь минимума коэффициента переходных нелинейных искажений, эта амплитудночастотная характеристика должна быть обратной к спектральной характеристике усиливаемого сигнала. На фиг. 1 линия III в относительных единицах отображает амплитудно-частотную характеристику предыскажений. Как видно из фиг. 1, линия ІІІ предыскажений обратна линии I спектральной характеристики усиливаемого сигнала звукового вещания, в результате чего предыскаженный сигнал имеет равномерный спектр с уровнем, равным максимальному в спектре усиливаемого сигнала (линия II). Внесенные перед операцией нелинейного преобразования амплитудно-частотные предыскажения спектра усиливаемого сигнала компенсируют операцией амплитудно-частотной коррекции после операции нелинейного преобразования сигнала. Операцию амплитудно-частотной коррекции выполняет корректор, амплитудно-частотная характеристика которого должна быть обратной амплитудно-частотной характеристике предыскажений. Амплитудно-частотная характеристика корректора при усилении сигнала звукового вещания соответствует линии I на фиг. 1. Схема устройства, реализующего способ двухтактного усиления электрического сигнала с неравномерным спектром, изображена на фиг. 2. Устройство состоит из активного амплитудно-частотного корректора 1, двухтактного усилителя 2 и амплитудно-частотного корректора 3. Устройство работает следующим образом. Усиливаемый сигнал поступает на активный амплитудно-частотный корректор 1, где выравнивается спектр усиливаемого сигнала в рабочем диапазоне частот. Здесь также осуществляется усиление спектральных составляющих сигнала, уровни которых ниже максимального, до уровня, не превышающего величину максимального уровня спектральных составляющих в спектре усиливаемого сигнала. После этого сигнал поступает к двухтактному усилителю 2, где усиливается. Затем сигнал с выхода двухтактного усилителя 2 поступает на амплитудно-частотный корректор 3, где компенсируются внесенные активным амплитудно-частотным корректором 1 предыскажения. Активный амплитудно-частотный корректор 1 и амплитудно-частотный корректор 3 могут быть построены известными способами, например [1, с. 122]. Преимущество предлагаемого способа - снижение коэффициента переходных нелинейных искажений при двухтактном усилении сигнала. Снижение коэффициента переходных нелинейных искажений достигнуто за счет использования статистических характеристик усиливаемого сигнала - спектральной характеристики. В соответствии с предлагаемым способом повышают уровень сигнала на входе двухтактного усилителя и для усиления сигнала используется более линейная часть передаточной характеристики двухтактного усилителя. Поэтому, а также учитывая небольшие величины коэффициента переходных нелинейных искажений высококачественных усилителей, для самых вер хних частот сигнала звукового ве щания переходные нелинейные искажения, как видно из фиг. 1, могут быть снижены примерно на 40 дБ (в 100 раз). За исключением области частот около 200 Гц предлагаемый способ позволяет снизить коэффициент переходных нелинейных искажений при усилении сигнала звукового вещания двухтактным усилителем в остальной части рабочего диапазона частот. Предлагаемый способ целесообразно применять для высококачественного звукоусиления. Этот способ позволяет снизить переходные нелинейные искажения усилительных каскадов, работающих в режиме В или AB. Следует особо отметить, что способ позволяет снизить переходные нелинейные искажения 2-го рода, которые обусловлены временными свойствами транзисторов - их быстродействием, а также индивидуальными различиями частотных свойств транзисторов, работающих в двухтактном режиме.