высоколинейный двухтактный усилитель и устройство разделения сигнала на две полуволны

Формула изобретения

1. Двухтактный усилитель, содержащий в каждом плече каскад предварительного усиления, выход которого соединен с входом плеча выходного каскада усилителя, отличающийся тем, что в него введен расщепитель полярности, выходы которого соединены с соответствующими входами каскадов предварительного усиления, сигналы которого смещены каскадами предварительного усиления по постоянному уровню, обеспечивающему протекание тока через каждое плечо выходного каскада и при положительной, и при отрицательной полуволнах входного сигнала усилителя.

2. Двухтактный усилитель по п. 1, отличающийся тем, что при его охвате петлей общей отрицательной обратной связи выходной каскад выполнен узкополосным, формирующим наклон амплитудно-частотной характеристики в районе частоты единичного петлевого усиления.

3. Двухтактный усилитель по п. 2, отличающийся тем, что полоса пропускания выходного каскада сужена подключением к нему емкостной нагрузки.

4. Двухтактный усилитель по п. 2 или 3, отличающийся тем, что каскады предварительного усиления и расщепитель полярности не имеют подъема амплитудно-частотной характеристики ниже частоты единичного петлевого усиления.

5. Расщепитель полярности, содержащий четыре резистора, два диода и операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом устройства, а через третий и четвертый резисторы - с его первым и вторым выходами соответственно, неинвертирующий вход через второй резистор - с общим проводом, а выход - с анодом первого и с катодом второго диодов, при этом катод первого и анод второго диодов соединены с первым и вторым выходами устройства соответственно, отличающийся тем, что в него введен третий диод, катод которого соединен с катодом первого диода и, через первый токостабилизирующий элемент, с источником отрицательного напряжения, и четвертый диод, анод которого соединен с анодом второго диода и, через второй токостабилизирующий элемент, с источником положительного напряжения, при этом анод третьего и катод четвертого диодов соединены с общим проводом.

6. Расщепитель полярности по п. 5, отличающийся тем, что к катоду третьего и к аноду четвертого диодов подключен делитель из трех последовательно включенных резисторов, при этом выходы устройства подключены к выводам среднего из них.

7. Расщепитель полярности по п. 5 или 6, отличающийся тем, что в нем применены первый и второй диоды с меньшим суммарным падением напряжения, чем на третьем и четвертом диодах.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к радиотехнике и может быть использована в качестве высокоточного усилителя электрических сигналов звуковых и ультразвуковых частот, например в технике звуковоспроизведения или в системах автоматического регулирования.

Известен двухтактный усилитель, который состоит из входного каскада, выполненного на операционном усилителе (ОУ), и выходного звена, состоящего из двух плеч [1] . Каждое плечо выходного звена содержит каскад предварительного усиления и выходной каскад. Каскады предварительного усиления работают в линейном режиме и согласуют входы выходных каскадов с выходом входного каскада усилителя по постоянному уровню, а выходные каскады подключены к нагрузке, т. е. являются плечами выходного двухтактного каскада усилителя. Параметры предварительных каскадов плеч выбраны таким образом, что при нулевом напряжении на входе усилителя через плечи его выходного двухтактного каскада протекает небольшой сквозной ток Io. Этим обеспечивается его работа в режиме класса АВ. Плечи выходного каскада усилителя включены по схеме усиления по напряжению. Они охвачены глубокой местной ООС, которая повышает линейность зависимости выходных токов плеч от приложенного к их входам напряжения и точность суммирования этих токов на нагрузке.

Выходной каскад прототипа разделяет подаваемый на его вход линейный сигнал на две полуволны. Эта функция выполняется им с погрешностями, которые проявляются в выходном сигнале в виде переключательных искажений. Они возникают по нескольким причинам: неточное разделение линейного сигнала на две полуволны приводит к появлению кроссоверных искажений, достигающих 10% при размахе выходного тока около 8Iо (в диапазоне выходных токов от минус 2Iо до плюс 2Iо оба плеча выходного каскада активны, при этом его коэффициент усиления вдвое больше); перевод плеч выходного каскада из активного состояния в пассивное происходит путем запирания входящих в них силовых транзисторов, что приводит к возникновению коммутационных искажений, вызванных инерционностью этих транзисторов.

Снижение уровня вносимых выходным каскадом искажений достигается в прототипе охватом каскада двумя петлями отрицательной обратной связи (ООС). Охват выходного звена петлей ООС приводит к расширению его полосы пропускания до единиц-десятков мегагерц, при этом самым узкополосным каскадом усилителя, формирующим наклон его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по петле общей ООС в районе частоты единичного петлевого усиления (fc), является входной каскад. Вносимый выходным широкополосным звеном усилителя спектр гармонических искажений столь же широкополосен. Беспрепятственно достигают выхода усилителя и высокочастотные составляющие искажений, вносимые его входным каскадом.

Поскольку глубина общей ООС на высоких частотах падает, то амплитуда воздействующих на дифференциальный вход усилителя высокочастотных составляющих искажений, подводимых к его инвертирующему входу в виде сигнала ООС, оказывается сравнимой, а часто и превосходит амплитуду основного сигнала. Они смещают рабочую точку входного каскада на нелинейный участок (характеристика прямой передачи входного каскада по дифференциальному входу линейна лишь в окрестности рабочей точки с нулевым напряжением), что является причиной внесения усилителем повышенного уровня интермодуляционных искажений.

Выходной широкополосный каскад прототипа работает в режиме с отсечкой тока. Уровень высокочастотных гармоник в потребляемом им токе при этом велик. В виде наводок они могут воздействовать на входные цепи усилителя и на другие высокочувствительные узлы устройства, в составе которого он используется. Как и в первом случае, наведенные гармоники приводят к возрастанию уровня вносимых усилителем интермодуляционных искажений и, кроме того, ухудшают его электромагнитную совместимость.

Подключение к широкополосному выходному каскаду прототипа нагрузки с большой емкостной составляющей приводит к значительному сужению его полосы пропускания, что вызывает ухудшение переходной характеристики усилителя, либо его возбуждение. Поскольку все отличия выходного сигнала усилителя от его входного сигнала прикладываются к его дифференциальному входу, то это также приводит к повышению уровня вносимых усилителем интермодуляционных искажений. Сохранение устойчивости усилителя достигается сужением полосы пропускания входного каскада, что приводит к пропорциональному сужению полосы пропускания всего усилителя и к увеличению вносимых им искажений.

Известны технические решения, позволяющие снизить вносимые двухтактным усилителем коммутационные искажения. Они основаны на предупреждении запирания силовых транзисторов в находящемся в пассивном состоянии плече выходного каскада. Это достигается введением в усилитель дополнительных обратных связей [2-4] , которые его усложняют, снижают стабильность работы, требуют тщательной балансировки плеч [5]. В таких усилителях не полностью устраняются другие виды переключательных искажений, высок уровень высокочастотных гармоник в потребляемом ими токе.

Известно устройство, содержащее четыре резистора, два диода и ОУ, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом устройства, а через третий и четвертый резисторы - с его первым и вторым выходами соответственно, неинвертирующий вход через второй резистор соединен с общим проводом, а выход - с анодом первого и с катодом второго диодов, а катод первого и анод второго диодов - с первым и вторым выходами устройства соответственно [6].

Устройство работает следующим образом. Входное напряжение отрицательной полярности передается на первый выход устройства с коэффициентом передачи минус R3/R1, при этом на его втором выходе сохраняется нулевое напряжение, а входное напряжение положительной полярности - на второй выход устройства с коэффициентом передачи минус R4/R1, при этом на его первом выходе сохраняется нулевое напряжение. Таким образом, устройство разделяет входной сигнал на две полуволны, т. е. представляет собой вариант расщепителя полярности (РП). РП - устройство, разделяющее входной сигнал путем его нелинейного преобразования на два выходных сигнала в основном по признаку его полярности.

Прототип имеет недостатки:

1. При смене полярности входного напряжения в выходные сигналы вносятся погрешности, вызванные наличием интервала времени Т, в течение которого выходное напряжение на его обоих выходах повторяет входное, поскольку оба диода закрыты и петля ООС разомкнута. Величина этого интервала определяется соотношением

Т=2Uд/Vмакс,

где Uд - падение напряжения на открытом диоде;

Vмакс - максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ.

2. Выходное сопротивление находящихся в пассивном состоянии плеч велико и равно сопротивлению резисторов R3 и R4 соответственно.

3. Схема устройства предполагает подачу входного сигнала только на инвертирующий вход ОУ.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Группа изобретений направлена на устранение вносимых двухтактным усилителем переключательных искажений, снижение уровня гармоник в потребляемом им токе, обеспечение его устойчивой работы на нагрузку с изменяющейся в широких пределах емкостной составляющей.

При осуществлении группы изобретений достигается снижение вносимых усилителем нелинейных, интермодуляционных и переходных искажений, обеспечивается автоматическая адаптация его параметров к нагрузке с изменяющейся в широких пределах емкостной составляющей, улучшается его электромагнитная совместимость, появляется возможность создания высокоточного быстродействующего усилителя.

Устранение вносимых усилителем коммутационных искажений достигается передачей функции разделения линейного сигнала на две полуволны специальному устройству. Для этого в двухтактный усилитель, содержащий в каждом плече каскад предварительного усиления, выход которого соединен с входом плеча выходного каскада усилителя, введен расщепитель полярности (РП), выходы которого соединены с соответствующими входами каскадов предварительного усиления, сигналы которого смещены каскадами предварительного усиления по постоянному уровню, обеспечивающему протекание тока через каждое плечо выходного каскада и при положительной, и при отрицательной полуволнах входного сигнала усилителя.

Дополнительное снижение высокочастотных гармоник в выходном сигнале охваченного петлей общей ООС усилителя и в потребляемом им токе, а также создание условий для повышения быстродействия усилителя достигнуто тем, что его выходной каскад выполнен узкополосным, формирующим наклон АЧХ в районе частоты единичного петлевого усиления, при этом полоса пропускания выходного каскада может быть сужена подключением к нему емкостной нагрузки, а устойчивая работа усилителя на нагрузку с изменяющейся в широких пределах емкостной составляющей достигнута тем, что каскады предварительного усиления и РП не имеют подъема АХЧ ниже частоты единичного петлевого усиления.

В группе изобретений предложен РП, в котором устранены присущие прототипу недостатки. Для этого в устройство, содержащее четыре резистора, два диода и операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом устройства, а через третий и четвертый резисторы - с его первым и вторым выходами соответственно, неинвертирующий вход через второй резистор соединен с общим проводом, а выход - с анодом первого и с катодом второго диодов, при этом катод первого и анод второго диодов соединены с первым и вторым выходами устройства соответственно, введены третий диод, катод которого соединен с катодом первого диода и через первый токостабилизирующий элемент - с источником отрицательного напряжения, и четвертый диод, анод которого соединен с анодом второго диода и через второй токостабилизирующий элемент - с источником положительного напряжения, при этом анод третьего и катод четвертого диодов соединены с общим проводом.

Придание выходным сигналам РП более сглаженной формы, способствующей снижению уровня гармоник в потребляемом усилителем токе, достигнуто тем, что к катоду третьего и к аноду четвертого диодов подключен делитель из трех последовательно включенных резисторов, при этом выходы устройства подключены к выводам среднего из них. С этой же целью в нем применены первый и второй диоды с меньшим суммарным падением напряжения, чем на третьем и четвертом диодах.

На прилагаемых к группе изобретений чертежах изображено: на фиг.1 - схема двухтактного усилителя с РП; на фиг.2 - схема заявляемого РП; на фиг.3 - схема резистивного делителя, обеспечивающего слабую перекрестную связь между выходными сигналами РП; на фиг.4 - эпюры тока, протекающего через плечи выходного каскада, работающего в режиме 2 (штриховой линией - в режиме 1); на фиг. 5 - эпюры тока, протекающего через плечи выходного каскада, работающего в режиме 4 (штриховой линией - в режиме 3).

На фиг.1 приведена схема одного из вариантов исполнения двухтактного усилителя с РП. Источник 1 сигнала подключен к входу РП 2. Выходы РП 2 соединены с входами каскадов 3 и 4 предварительного усиления. Выходы каскадов 3 и 4 соединены с входами плеч 5 и 6 выходного каскада соответственно, а выходы плеч 5 и 6 соединены вместе и подключены к нагрузке 7.

Усилитель работает следующим образом. С источника 1 сигнала синусоидальное напряжение поступает на вход РП 2 (на схеме условно изображен вариант РП на разнополярных прецизионных диодах), который разделяет его на две полуволны. Положительная полуволна входного напряжения передается на верхний выход РП 2, который соединен с входом предварительного каскада 3 верхнего плеча. Каскадом 3 сигнал усиливается, инвертируется и смещается по постоянному уровню. С него сигнал подается на вход верхнего плеча 5 выходного каскада, включенного по схеме усиления по напряжению. Оно охвачено глубокой местной ООС, чем достигается повышенная линейность зависимости выходного тока плеча от приложенного к его входу напряжения. При отрицательной полуволне входного напряжения на верхнем выходе РП 2 сохраняется нулевое напряжение, которое преобразуется каскадом 3 в напряжение, приводящее к протеканию через плечо 5 выходного каскада тока Iо. Аналогично работает и нижнее плечо усилителя (нижний выход РП 2, каскад 4, плечо 6 выходного каскада). В результате суммирования выходных токов плеч 5 и 6 выходного каскада на нагрузке 7 на ней выделяется усиленный сигнал исходной формы.

По отношению к входному линейному сигналу усилителя его выходной каскад работает в режиме класса В с постоянным сквозным током покоя, при этом плечи усилителя по отношению к подаваемым на них с выходов РП сигналам работают в линейном режиме (линейны выходные токи плеч), благодаря чему коммутационные искажения в выходном сигнале усилителя отсутствуют. Уровень же вносимых усилителем кроссоверных искажений зависит от точности выполнения РП своей функции и от точности суммирования выходных токов плеч на нагрузке. Качество РП можно оценить по уровню искажений в сигнале, полученном путем суммирования его выходных сигналов. Если он линеен или содержит только гармоники высокого порядка, лежащие далеко за пределами полосы пропускания плеч усилителя, то кроссоверных искажений не будет и на выходе усилителя. На слаботочной элементной базе можно создать сравнительно простое устройство, удовлетворяющее этим требованиям.

Поскольку выходное напряжение усилителя представляет собой сумму двух разных по форме сигналов, то использовать его в качестве сигнала ООС можно только в каскадах, расположенных до РП, включая его вход, т.е. выходные токи плеч усилителя должны управляться только приложенными к их входам сигналами (исключение составляют слабые перекрестные связи между плечами усилителя, которые могут быть введены для выполнения ими тех же функций, что и изображенный на фиг.3 резистивный делитель).

В усилителе с РП выходной каскад охвачен только одной петлей ООС - общей. Это позволяет сформировать наклон АЧХ петлевого усиления усилителя в районе частоты fc выходным каскадом, т.е. выполнить его узкополосным. Устойчивость работы усилителя достигается при этом формированием горизонтального участка в АЧХ предварительных каскадов и РП в районе частоты fc. Положительный эффект от перестановки мест расположения в усилителе узкополосного и широкополосного каскадов объясняется тем, что вносимые выходным узкополосным каскадом гармонические искажения столь же узкополосны, а для высокочастотных гармоник, вносимых широкополосными предварительными каскадами и РП, выходной каскад выступает в роли фильтра нижних частот, поэтому они сильно ослабляются в выходном сигнале. Это позволяет снизить требования к качеству используемого в усилителе РП при сохранении высоких технических показателей усилителя. Мал уровень высокочастотных гармоник и в потребляемом узкополосным выходным каскадом токе. Подключение к такому усилителю емкостной нагрузки не нарушает устойчивости его работы (при условии, что АЧХ предварительных каскадов и РП не имеют подъема ниже частоты fc), а приводит лишь к сужению полосы пропускания выходного каскада и всего усилителя, а также к пропорциональному уменьшению максимальной скорости нарастания выходного напряжения (максимальный выходной ток не меняется), т.е. происходит автоматическая адаптация параметров усилителя к нагрузке. Переходная характеристика такого усилителя всегда носит чисто апериодический характер. Сужение полосы пропускания в нем меньше, чем в прототипе (при условии, что сохраняется прежняя устойчивость прототипа) из-за значительной разницы в сужении полосы пропускания узкополосного и широкополосного каскадов при подключении к ним емкости одной и той же величины. Нелинейные искажения в выходном сигнале при этом не увеличиваются, поскольку одновременно со снижением на высоких частотах глубины ООС происходит снижение уровня высокочастотных гармоник в выходном сигнале исходного (не охваченного петлей ООС) усилителя благодаря фильтрующему действию выходного каскада. Кроме того, подключение емкости к выходу усилителя улучшает частотную симметрию его плеч, увеличивает глубину местной ООС в плечах выходного каскада на высоких частотах, что также способствует снижению уровня вносимых усилителем искажений.

Предложенный усилитель может быть использован в качестве высокоточного быстродействующего усилителя. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения, применяемого в усилителе выходного каскада, (Vвых.макс) связана с его параметрами следующим соотношением

Vвых.макс = 2fc.вых Квых Uупр.макс,

- число пи, равное 3,14...;

fc.вых - частота среза выходного каскада;

Квых - коэффициент усиления выходного каскада;

Uупр.макс - максимальная амплитуда управляющего напряжения.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения усилителя достигает значения Uвых.макс лишь при выполнении условия

Vупр.макс>Vвых.макс Uупр.макс/Uвых.макс,

где Vупр.макс - максимальная скорость нарастания напряжения управления;

Uвых.макс - максимальная амплитуда выходного напряжения усилителя.

Это условие в предлагаемом усилителе обычно выполняется, т.к. его предварительные каскады широкополосны. Поскольку при усилении сигнала частотой выше fс. вых с максимальной амплитудой через плечи выходного каскада может протекать чрезмерно большой сквозной ток, то с уверенностью можно говорить лишь о способности усилителя воспроизводить со скоростью Vвых.макс импульсные сигналы максимальной амплитуды, частота следования которых не превышает fc.вых.

Поскольку линейность исходного усилителя высока, а применяемый в нем РП может иметь достаточно высокое усиление по напряжению, то в ряде схемных реализаций усилителя отпадает необходимость введения в него охваченных цепью общей ООС входных линейных каскадов предварительного усиления.

В таком усилителе может быть использован заявляемый РП, схема которого приведена на фиг.2. Он состоит из резисторов 8 и 9, соединенных с инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ 10, а вторые выводы этих резисторов - с входом устройства и с общим проводом соответственно. Инвертирующий вход ОУ 10 через резисторы 11 и 12 соединен с первым и вторым выходами устройства соответственно, а выход - с анодом диода 13 и с катодом диода 14. Катод диода 13 соединен с первым выходом устройства, с резистором 15 и с катодом диода 16, а анод диода 14 - со вторым выходом устройства, с анодом диода 17 и с резистором 18. Вторые выводы резисторов 15 и 18 соединены с источниками отрицательного и положительного напряжения соответственно, а диодов 16 и 17 - с общим проводом.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Входное напряжение отрицательной полярности приводит к появлению положительного напряжения на выходе ОУ 10. Диод 14 при этом закрывается, а через открытый диод 13 замыкается петля ООС, приводящая к протеканию через резисторы 8 и 11 тока равной величины. Поскольку неинвертирующий вход ОУ 10 через резистор 9 соединен с общим проводом, то на обоих входах ОУ 10 напряжение также равно нулю, при этом напряжение на первом выходе устройства равно падению напряжения на резисторе 11, а на втором - падению напряжения на диоде 17, вызванное протеканием через него и через резистор 18 тока от источника положительного напряжения. Положительное входное напряжение приводит к появлению на выходе ОУ 10 отрицательного напряжения, которое через открытый диод 14 приводит к замыканию другой петли ООС - через резистор 12. Напряжение на втором выходе устройства равно при этом падению напряжения на резисторе 12, а на первом - падению напряжения на диоде 16, вызванное протеканием через него и через резистор 15 тока от источника отрицательного напряжения.

Устранение присущих прототипу недостатков в предложенном РП достигается следующим образом:

- с помощью вновь введенных резисторов 15 и 18, выполняющих функцию токостабилизирующих элементов, и диодов 16 и 17 формируется напряжение смещения, которое приоткрывает или полностью открывает диоды 13 и 14 при нулевом напряжении на выходе ОУ 10, что позволяет существенно уменьшить или полностью устранить упомянутый ранее интервал времени Т;

- выходное сопротивление находящихся в пассивном состоянии плеч РП равно теперь сопротивлению открытого диода;

- подаваемый на неинвертирующий вход ОУ 10 сигнал передается только на один выход РП, а на его втором выходе напряжение поддерживается на постоянном уровне благодаря стабилизирующему действию вновь введенных элементов, что позволяет использовать оба входа ОУ 10 для подачи на них как входного сигнала, так и сигнала ООС.

Форма протекающего через плечи выходного каскада тока повторяет форму снимаемых с выходов РП сигналов. Это позволяет управлять формой выходных токов плеч усилителя путем придания снимаемым с выходов РП сигналам требуемой формы (при этом РП должен удовлетворять основному критерию качества - малым уровнем искажений в его суммарном выходном сигнале). Например, с помощью РП и резистивного делителя, схемы которых приведены на фиг.2 и 3, можно реализовать следующие режимы работы выходного каскада.

1. Режим с постоянным сквозным током покоя достигается использованием диодов 13 и 14 с равным или с большим падением напряжения, чем на диодах 16 и 17.

2. Режим с плавным уменьшением тока, протекающего через пассивное плечо, при увеличении тока, протекающего через активное плечо, достигается введением слабой перекрестной связи между выходными сигналами РП с помощью изображенного на фиг. 3 резистивного делителя (сопротивление резисторов 19 и 20 одинаково и много меньше сопротивления резистора 21).

3. Режим, сопровождающийся уменьшением скорости изменения протекающих через плечи выходного каскада токов вдвое в моменты их одновременного нахождения в активном состоянии, достигается использованием диодов 13 и 14 с меньшим прямым падением напряжения, чем на диодах 16 и 17.

4. Комбинация двух последних режимов.

В режиме 3 (4) РП работает следующим образом. При напряжении на выходе ОУ 10, не превышающем разницы в падении напряжения на вышеупомянутых диодах, диоды 13 и 14 открыты, оба выхода РП активны, а его коэффициент передачи по обоим выходам вдвое меньше (интервалы времени tl-t2 и t3-t4 на фиг.5), чем тогда, когда активен только один его выход, поскольку резисторы 11 и 12 через открытые диоды 13 и 14 включены параллельно. Такой режим работы РП обеспечивает более плавное изменение тока при переходе плеч выходного каскада из активного состояния в пассивное и обратно, что позволяет снизить уровень гармоник в потребляемом усилителем токе.

Источники информации

1. Черевань Ю. УМЗЧ с коррекцией динамической характеристики. - Радио, 1990, 2, с. 62-68.

2. Митрофанов Ю. Экономичный режим А в усилителе мощности. - Радио, 1986, 5, с. 40-43.

3. Брагин Г. Усилитель мощности ЗЧ. - Радио, 1990, 12, с. 62-64.

4. Авторское свидетельство СССР 1741251, кл. H 03 F 3/26, 1990.

5. Ломакин А., Паршин Б. Коммутационные искажения в усилителях мощности ЗЧ. - Радио, 1987, 9, с. 34-37.

6. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М.: Советское радио, 1979, с. 187, рис. 4.23з.