Підсилювач потужності

Винахід має відношення до галузі звукотехніки і може бути застосовано, переважно, в підсилювачах класу High-End. Відомий принцип побудови підсилювачів потужності, в котрих виключається вплив відклику електродинамічного перетворювача на роботу вихідного каскаду шляхом виконання вихідного каскаду по схемі з загальним емітером (витоком), або по схемі з загальною базою (затвором), (див. Алейнов Α., Сырицо А. «Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ - громкоговоритель». журнал «Радио», №7, 2000р., ст.16-18; Сырицо А. «Особенности УМЗЧ с высоким выходным сопротивлением». - журнал «Радио», №2, 2002р., ст.16-17) Цей засіб дозволяє зменшити рівень інтермодуляційних спотворень у підсилювачі, викликаних відкликом з електродинамічного перетворювача. Недоліком цих рішень є погіршення частотних характеристик і загальної лінійності для схем з загальним емітером (витоком), і ускладнення схеми в цілому для схем з загальною базою (затвором). Існує також проблема якісної термостабілізації струму покою для обох цих напрямків схемотехнічних рішень. Найбільш близьким по сукупності ознак до заявляємого винаходу є побудова схеми підсилювача потужності з передвихідним каскадом підсилення напруги по схемі з загальним емітером (витоком, катодом) або з загальною базою (затвором, сіткою), навантаженням котрого є двохтактний вихідний каскад класу АВ або А, виконаний по схемі повторювача напруги на поодиноких або составних транзисторах (або лампах), ви ходом під'єднаного до електродинамічного перетворювача. Ці схеми є найбільш поширеними, характеризуються високою лінійністю вихідного каскаду, високими частотними характеристиками, низькою чуттєвістю вихідного каскаду до пульсацій напруги живлення, відносною простотою досягнення високої термостабільності струму покою, (див. Терещук P.M., Терещук К.М., Седов С.А. «Полупроводниковые приемо-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя». Киев, Наукова думка, 1988р., ст.395-396, 720-736). Усі схеми підсилювачів потужності з повторювачем напруги на виході суттєво відрізняються своїми якостями в залежності від співвідношення опорів джерела сигналу (Rg) і вхідного опору повторювача напруги ( Rbx ). У зв'язку з чим їх доцільно розподілити на: схеми з низьким опором джерела сигналу (RgRbx), тобто з джерелом струму. Перші (дивись вище) дозволяють отримати наднизький рівень нелінійних спотворень в електричному тракті (див. И.П. Степаненко "Основы теории транзисторов и транзисторных схем". - М.: "Энергия", 1977, ст.369-395; "The End Millenium" - журнал "Радио Хобби", №4, 2000р., ст.58; Сухов Н., Широков В. "Лампы и звук: назад, в будущее или новое - это хорошо забытое старое?" - журнал "Радио хобби", №4, 1998 р., ст.13, мал. 30). Але цей, зовні ідеальний (судячи з заявляємих виробником показників) принцип побудови підсилювачів, має суттєві недоліки. Справа у тому, що рівень нелінійних спотворень підсилювачів потужності традиційно вимірюється на активному еквіваленті акустичного навантаження (див. "О взаимодействии УМЗЧ с нагрузкой". - журнал "Радио", №2, 2000р., ст.17-18: А. Сырицо "Работа УМЗЧ на комплексную нагрузку". - журнал "Радио", №1, 1994р., ст.17-19). В наслідок чого заявляємі виробником параметри не можуть відображати реальні спотворення сигналу. Підвищення струму відклику з електродинамічного перетворювача (в наслідок низького вихідного опору), і протікання його через вихідний каскад підсилювача у взаємодії з реальним реактивним характером опору акустичного навантаження провокують збільшення спотворень на декілька порядків. До зростання інтермодуляційних спотворень у даному технічному рішенні призводять також електричне демпфірування електродинамічного перетворювача (бо струм проти-ЕДС має часове зрушення відносно сигналу і залежить від миттєвих змін вихідного опору в залежності від амплітуди і частоти сигналу), залежність струму через електродинамічний перетворювач від флуктуацій його параметрів (активного опору, індуктивності звукової котушки, параметрів магнітної системи, пружності підвісу дифузору і ін.), фазові зрушення струму в електродинамічному перетворювачі відносно фази вхідної напруги підсилювача, (див. А. Алейнов, А. Сырицо "Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ - громкоговоритель". - журнал "Радио", №7, 2000р., ст.16-18; С. Агеев "Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление?". - журнал "Радио", №4, 1997р., ст.14-16). Підсилювачі потужності, в котрих сигнал на вхід вихідного каскаду повторювана напруги потрапляє з джерела струму, мають трохи менші величини струмів відклику з електродинамічного перетворювача (ніж у попередніх). І хоча ефективність цього явища в таких схемах є дуже низькою, його наявність дає змогу вважати підсилювач наведений в (Сухов Η. "У МЗЧ ВВ на современной электронной базе". - журнал "Радио хобби", №5,2002 р., ст.26) прототипом винаходу, а в (Зызюк А." Транзисторный усилитель мощности низкой частоты без ООС". - журнал "Радио хобби", №4, 2000р., ст.52-57) - найближчим аналогом у частному випадку застосування винаходу з ви хідним каскадом повторювана напруги, виконаного на елементах одного типу проводимості. Але високий вихідний опір у джерела сигналу повторювача напруги призводить до досить високого рівня нелінійних спотворень усього електричного тракту, що робить неможливим застосування цього рішення без глибокого загального негативного зворотного зв'язку. Застосування останнього призводить до ще одного джерела інтермодуляційних спотворень (Корзинин М. "Схемотехника усилителя мощности звуковой частоты высокой верности". - журнал "Радио", №8, 1996р., ст.24-27; Соколов А. "От усилителя к громкоговорителю". -Журнал "Радио", №7, 1997р., ст.2021, 49; Храбан О. "Лампы или транзисторы". - журнал "Радио", №2, 1997р., ст.12-14). Окрім цього мають місце всі види спотворення сигналу, наведені для варіанту з повторювачем напруги і низькоомним джерелом сигналу. Аналогічні проблеми мають місце і в схемах, в котрих вихідний каскад повторювачів напруги виконаний на транзисторах одного типу проводимості, або на лампах, а каскад підсилення напруги має два виходи з протифазними напругами. При цьому можливі два різновиди побудови схеми: - по схемі CIRCLOTRONy (патент 1954 року, автор винаходу А. М. Wiggins, фірма Electro-Voice), в котрій кожне плече вихідного каскаду повторювача напруги живиться від окремого плаваючого джерела напруги живлення, і в котрій обидва плеча і обидва джерела напруги живлення з'єднані між собою по двохтактно-паралельній схемі -мостом, послідовно по постійному стр уму і паралельно - по змінному струму з акустичним навантаженням включеним у діагональ утвореного мосту, між емітерами або витоками (катодами) транзисторів (ламп) двохтактного вихідного каскаду (див. журнали "Радио хобби": №4, 1998р., ст.12-13, ст.52-57; №3, 2000 р., ст.8-9; №4, 2000 р., ст. 14-15; №3, 2001 р., ст. 10-11; №6, 2001 р., ст. 11-12; №3, 2003 р., ст. 9-10; Гендин Г. С. "Высококачественные любительские усилители низкой частоты.", Москва, "Энергия", 1968р., ст.6676; Сырицо А. "Усилитель мощности на интегральных ОУ" -журнал "Радио", №8,1984р., ст.35-37). - по схемі живлення від одного джерела напруги обох плеч вихідного каскаду повторювача напруги, емітери або витоки (катоди) котрого під'єднані кожний до своєї окремої обмотки вихідного узгоджуючого трансформатору, а акустичне навантаження до третьої обмотки, сумуючої стр уми обох напівхвиль ви хідного каскаду, (див. В. Гурьянов, "Индукционная система ориентации" - журнал "Радио" №1, 1972р., ст.34-36; И.П. Степаненко, "Основы теории транзисторов и транзисторных схем", Москва, "Энергия", 1977р., ст.437, мал.13-7-6; Б. Минц, "Двухтактно-параллельный усилитель НЧ"-журнал "Радио", №8,1999р., ст.10-12). Обидва варіанти схеми потребують на вході повторювачів напруги два протифазні сигнали, котрі зазвичай забезпечуються двома підсилювачами напруги, тобто ці схеми можна розглядати як частний випадок класичного варіанту схеми. Останній з перелічених різновидів схеми у наш час майже не використовується у зв'язку з необхідністю мати у два рази більшу подвоєну амплітуду вхідної напруги сигналу, ніж напруга джерела живлення вихідного каскаду, а також потребою застосування високоякісного вихідного трансформатору. Таким чином, жоден з варіантів підсилювачів потужності з повторювачем напруги на виході неспроможний забезпечити досить низький загальний рівень спотворень сигналу і при цьому не застосовуючи загального негативного зворотного зв'язку. В основу винаходу поставлена задача в підсилювачі потужності, який містить у собі каскад підсилення напруги по схемі з загальним емітером (витоком, катодом) або з загальною базою (затвором, сіткою), навантаженням котрого є двохтактний вихідний каскад класу АВ або А, виконаний по схемі повторювача напруги на поодиноких або составних транзисторах (або лампах), виходом під'єднаний до електродинамічного перетворювача, безпосередньо або через трансформатор (автотрансформатор), другий вивід котрого під'єднано до корпусу і в цьому пристрої подати напругу з виходу підсилювача з мінімальним послабленням на вхід ви хідного каскаду повторювача напруги за допомогою резистору, з'єднуючого ви хід вихідного каскаду зі входом, номінал опору котрого повинен бути меншим на два-чотири порядкиніж вихідний опір попереднього каскаду підсилювача напруги, і аналогічно, на два-чотири порядки меншим ніж вхідний опір вихідного каскаду відносно точок під'єднання резистору, що і дозволяє значно послабити величину струму відклику з електродинамічного перетворювача, а при високих співвідношеннях опорів (дивись вище) повністю виключити протікання струму відклику з електродинамічного перетворювача через вихідний каскад підсилювача і цим самим забезпечити низький рівень інтермодуляційних спотворень, обумовлених цим явищем, а також виключити спотворення безпосередньо в електродинамічному перетворювачі, викликані флуктуаціями його параметрів, електричним демпфіруваням і фазовими зрушеннями між струмом і напругою сигналу, окрім цього рекомендовані умови вибору резистору (вказані вище) забезпечують високу лінійність як каскаду підсилення напруги (завдяки тому, що резистор шунтує вихідний опір каскаду підсилення напруги і вхідний опір вихідного каскаду повторювача напруги, котрі є нелінійними), так і вихідного каскаду повторювача напруги (бо джерелом сигналу для вихідного каскаду в даному випадку буде джерело напруги, під'єднане до точок підключення першого резистору), що і забезпечує лінеарізуючий ефект струмостабілізуючих резисторів і введеного другого резистору, під'єднаного між виходом підсилювача і точкою з'єднання акустичного навантаження з виводом першого резистору. При застосуванні винаходу маємо такі суттєві ознаки у порівнянні з прототипом: між виходом підсилювача і точкою з'єднання вихідних кіл каскаду підсилення напруги зі входом потужного повторювача напруги під'єднано введений до схеми перший резистор постійного номіналу; перший резистор має номінал опору не менш ніж на два порядки менший ніж вихідний опір предвихідного каскаду підсилення напруги і, аналогічно, не менш ніж на два порядки менший, ніж вхідний опір вихідного каскаду відносно точок під'єднання резистору; вихідний опір предвихідного каскаду підсилення напруги і вхідний опір вихідного каскаду підвищено схемотехнічними засобами до рівня виконання вищенаведеного співвідношення; введення першого резистору відповідного номіналу призводить до зрівняння змінних напруг на виході і на вході повторювача напруги (що саме і робить підсилювач потужності нечуттєвим до відклику з акустичного навантаження); проведені у схемі зміни перетворюють еквівалентну схему підсилювача з генератора напруги на генератор струму, тобто ви хідний опір підсилювача від занизького перетворюється на підвищений; величина струму сигналу через електродинамічний перетворювач не залежить від флуктуацій його параметрів; електродинамічний перетворювач не піддається електричному демпфіруванню; фаза струму в електродинамічному перетворювачі не змінюється в усьому робочому діапазоні частот відносно фази вхідної напруги підсилювача; до схеми введено другий резистор, під'єднаний між виходом підсилювача і точкою з'єднання акустичного навантаження з виводом першого резистору; перший і другий резистори виконують також функцію лінеарізації тракту; у частному випадку використання винаходу функцію другого резистору можуть виконувати два струмостабілізуючих резистора підвищеного номіналу у колах емітерів (витоків, катодів) вихідного каскаду повторювача напруги; використання винаходу можливо і в частному випадку виконання вихідного каскаду повторювача напруги на елементах одного типу проводимості з двохфазним предвихідним каскадом підсилення напруги, при цьому усі рекомендації до умов вибору номіналів першого і другого резисторів зберігаються, а кількість резисторів подвоюється і складає по одному на кожне плече; застосовані засоби лінеаризації тракту дозволяють отримати прийнятний рівень спотворень без застосування загального негативного зворотного зв'язку. При застосуванні винаходу маємо технічний результат: умови вибору першого резистору і введення до схеми другого резистору дозволяють ефективно зменшити нелінійні і інтермодуляційні спотворення в електричному тракті без застосування загального негативного зворотного зв'язку; вихідний опір підсилювача потужності підвищується на декілька порядків; технічне рішення сумісне з застосуванням патенту України №38327, що дозволяє отримати надзвичайно низькі спотворення сигналу при збереженні усіх позитивних якостей винаходу; виключається можливість проходження струму відклику з акустичного навантаження через вихідний каскад підсилювача, що дозволяє зменшити загальний рівень інтермодуляційних спотворень, викликаних цим явищем, на декілька порядків; при термодинамічних коливаннях активної складової опору електродинамічного перетворювача, а також зміні індуктивності звукової котушки в залежності від положення звукової котушки в зазорі струм через електродинамічний перетворювач залишається незмінним, що дозволяє виключити нелінійні спотворення, викликані цим явищем; виключається електричне демпфірування електродинамічного перетворювача, що дозволяє уникнути нелінійних спотворень, обумовлених демпфіруванням; виключаються фазові і часові зрушення струму сигналу на часто тах поблизу частоти резонансу електродинамічного перетворювача, що поліпшує достовірність передачі миттєвого спектру сигналу; застосоване технічне рішення має якість спадкоємності, бо дозволяє нескладними доробками існуючих підсилювачів значно покращити якість їх роботи, бо найбільш поширеним схемним рішенням є застосування в вихідному каскаді саме схеми повторювача напруги; застосоване технічне рішення характеризується універсальністю, бо дозволяє застосовувати його практично в кожній схемі з вихідним каскадом на повторювачі напруги; введення другого резистору дозволяє при прийнятних втратах коефіцієнту корисної дії зменшити рівень нелінійних спотворень у 2-5 разів; застосоване технічне рішення забезпечує захист вихідного каскаду від короткого замикання в навантаженні без застосування спеціальних елементів, що дозволяє спростити схему. Як вже вище було вказано принцип формування високого вихідного опору закладений у данному винаході може бути застосовано і у частних випадках використання, а саме в схемах в котрих обидва повторювачі напруги ви хідного каскаду, виконані на транзисторах одного типу проводимості, або на лампах. При цьому каскад підсилення напруги має два виходи з протифазними напругами і високим вихідним опором по кожному з них, а вихідний каскад повторювача напруги складається з двох плеч, з високим вхідним опором кожне, і виконаних на транзисторах одного типу проводимості, або на лампах, до кожного з плеч вихідного каскаду під'єднано перший резистор постійного номіналу. Застосування трансформатору (або автотрансформатору) між виходом підсилювача і електродинамічним перетворювачем не впливає на дієздатність винаходу, бо трансформатор (автотрансформатор) слідує у схемі електричній принциповій вже після усіх з'єднань у схемі вище вказаних резисторів. Таким чином трансформатор (автотрансформатор) виконує звичайну функцію узгодження опору електродинамічного перетворювача з виходом підсилювача. Оскільки потреба в узгодженні все ж таки має місце, особливо в лампових схемах, відповідно і можливість застосування Трансформатору (автотрансформатору) при застосуванні винаходу виключати не слід. Вище по тексту у якості потенційного акустичного навантаження розглядається виключно електродинамічний перетворювач. Це обумовлено його поширеністю і дешевизною. Але принциповим при цьому є його стр умовий принцип перетворення. А у якості акустичного навантаження може бути застосовано і інший струмовий перетворювач. До струмових перетворювачів належать і більш високоякісні (і зовсім відсутні на вітчизняному ринку в наслідок їх високої вартості) широкосмугові перетворювачі магнепланарного типу і, також широкосмугові, перетворювачі Хейла та інші. Сутність винаходу пояснюється кресленнями на фіг.1, 2, 3, 4, 5. На фіг.1 зображено структурну схему з'єднань каскадів підсилювача відповідно до першого пункту формули винаходу. На фіг.2 зображено удосконалений варіант використання винаходу. На фіг.3 зображено приклад схеми електричної принципової використання винаходу, виконаний на транзисторах. На фіг.4 зображено приклад схеми електричної принципової по гібридній технології з застосуванням і ламп і транзисторів. На фіг.5 зображено ламповий варіант використання. На фіг.1 зображено структурну схему підсилювача в узагальненому вигляді, яка включає предвихідний каскад підсилення напруги 1 з високим вихідним опором і вихідний каскад 2, виконаний по схемі повторювача напруги. До ви ходу підсилювача під'єднано електродинамічний перетворювач 3. Між входом і виходом вихідного каскаду 2 під'єднано резистор 4. Каскади 1 і 2 живляться від джерела живлення 5 з заземленим середнім виводом. Пристрій працює таким чином. Сигнал підсилюється предвихідним каскадом підсилення напруги 1, з виходу котрого потрапляє на вихідний каскад 2, забезпечуючий підсилення по струму з коефіцієнтом передачі по напрузі, близьким до одиниці. З виходу ви хідного каскаду 2 сигнал потрапляє на електродинамічний перетворювач 3. Підсилювач напруги 1 виконано з високим вихідним опором, що забезпечується загальновідомими схемотехнічними засобами. Підвищений вхідний опір має і потужний повторювач напруги 2. Таким чином навантаженням каскаду 1 є резистор 4. Враховуючи його спосіб під'єднання, його еквівалентний опір для каскаду 1 складає: R4 Rне = , 1 - KП де Кп - коефіцієнт передачі напруги ви хідним каскадом 2; R4-опір резистора 4. У більшості випадків використання у колах емітерів (витоків або катодів) вихідного каскаду застосовуються струмостабілізуючі резистори (дивись далі фіг.3). Внаслідок чого типовий коефіцієнт передачі в даному випадку приблизно дорівнює 0,95. Таким чином: R4 R Rне » @ 4 , 1 - 0,95 0.05 Для сигналу відклику з електродинамічного перетворювача, котрий потрапляє з виходу підсилювача на вхід вихідного каскаду, паралельно з'єднані по змінному струму ви хідний опір предвихідного каскаду підсилення напруги 1 і вхідний опір вихідного гтовторювача напруги 2 утворюють з резистором 4 ділитель напруги. Відповідно, чим менше падіння напруги на резисторі 4, тим менші спотворення у вихідний сигнал буде вносити вихідний каскад, викликані відкликом з електродинамічного перетворювача. В залежності від рівня вимог до якості підсилювача, а також застосованої елементної бази, допустимі втрати напруги на ділителі не повинні перевищувати 0,1-1%. Саме цими співвідношеннями і забезпечується ефективне послаблення реакції підсилювача на відклик з електродинамічного перетворювача. Пристрій, зображений на фіг.2 відрізняється введеним другим резистором 6. Цей резистор виконує функцію негативного зворотного зв'язку по змінному струм у, що дозволяє додатково зменшити рівень нелінійних спотворень у вихідному каскаді 2 у 2...5 разів і підвищити стабільність характеристик тракту при прийнятних втратах коефіцієнту використання напруги живлення. На фіг.3 зображено один з можливих варіантів схеми електричної принципової підсилювача по фіг.2. На ньому більш конкретизовані елементи 1 і 2. Підвищений вихідний опір підсилювача напруги 1 забезпечено застосуванням схеми з загальною базою на біполярному транзисторі з навантаженням на генераторі струму. Підвищений вхідний опір вихідного повторювана напруги 2 досягається застосуванням на вході МОП-транзистора. Застосовані засоби дозволяють забезпечити співвідношення між опорами паралельно з'єднаних вхідним/вихідним опорами елементів 2/1 і опором резистору 4 більше ніж у 103 разів, що фактично повністю виключає реакцію вихідного каскаду 2 на відклик з електродинамічного перетворювача 3. 4 R в их1IIR в х2 3 10 ... 10 R4 Далі за МОП-транзистором під'єднано класичний двохтактний вихідний каскад на составних транзисторах. На фіг.4 зображено варіант використання на гібридних компонентах з застосуванням як ламп так і транзисторів. Елемент 1 виконано на пентоді з динамічним навантаженням. Повторювач напруги 2 виконаний на катодному повторювачі на пентоді, поєднаного з потужним вихідним каскадом на біполярних транзисторах, аналогічного з фіг.3. З метою спрощення зі схеми виключена схема стабілізації "нуля" на виході. На фіг.5 зображений приклад використання винаходу в ламповій техніці на основі схеми CIRCLONRONy (див. Н. С ухов, В.Широков "Лампы и звук: назад, в будущее или новое - это хорошо забытое старое?" - журнал "Радио-хобби", №4, 1998 р. ст. 12-13). Елемент 1 представляє собою парафазний каскад на пентодах з динамічним навантаженням, що і гарантує високий вихідний опір. Вихідний каскад 2 виконано на катодних повторювачах на двох потужних пентодах з автотрансформаторним виходом. Функція елементів 4 і 6 аналогічна попереднім випадкам використання з відповідними рекомендаціями, але в даному випадку їх по два, що обумовлено роз'єднанням вхідних кіл вихідного каскаду 2. Досить цікавою особливістю заявленої схеми є можливість формування різних величин ви хідного опору в залежності від особливостей акустичного навантаження. Наприклад, для зниження вихідного опору до потрібної величини можливо введення резистору постійного номіналу між корпусом і точкою з'єднання предвихідного і вихідного каскадів, або введення резистивного ділителя, що складається з g= двох резисторів, між виходом підсилювача і резистором 4. При цьому слід зауважити, що такий засіб формування вихідного опору повертає відклик електродинамічного перетворювача і усі недоліки класичної схеми. Внаслідок чого такий засіб формування вихідного опору може мати лише частковий інтерес. Зокрема при роботі вихідного каскаду в класі А.