МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ЭКОНОМИЧНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ С СВЕРХНИЗКИМИ ИСКАЖЕНИЯМИ СИГНАЛА

Аннотация

Борисов А.А. Метод построения экономичных усилителей низкой частоты со сверхнизкими искажениями сигнала. Выполнен анализ общих принципов схемотехнических решений и соответствующих классов режимов работы усилителей низкой частоты. Предложен схемотехнический метод построения экономичных усилителей низкой частоты со сверхнизкими искажениями.

Ключевые слова

Ключевые слова: рабочая точка, вольтамперная характеристика, термостабильность, широтно-импульсная модуляция, передискретизация, фазовые искажения.

Актуальность темы

Усилители низкой частоты находят широкое применение в качестве усилителей датчиков систем автоматики, усилителей исполнительных устройств автоматических систем, усилителей измерительных приборов, звуковых усилителей и т.д. В современных условиях технического развития (в век нанотехнологий) большое значение имеют вопросы дальнейшего совершенствования разрабатываемой аппаратуры высокого разрешения. Качество современных комплектующих, выпускаемых многочисленными фирмами, на современном этапе развития человечества близко к предельному. Цифровое преобразование позволяет осуществить высочайшее разрешение. Так, например, 32-битный ЦАП или АЦП теоретически имеет динамический диапазон более 192 дБ, 64-битный – более 385 дБ. Разрешение аналогового преобразования на сегодняшний день значительно меньше и является «узким местом» в специализированной аппаратуре высокого качества. Также здесь прослеживается тенденция зависимости качественных характеристик от энергопотребления. Поэтому тема исследования методов построения экономичных усилителей низкой частоты с сверхнизкими искажениями является актуальной.

Краткий обзор и характеристика основных классов усилителей

Работа на протяжении многих лет исследователей всего мира вылились в появление целого ряда классов усилителей. Для низких частот наиболее широкое распространение получили усилители классов A, B, AB, A+, Super A, G(DLD), H, D, T.

Класс A (возник в 1920-е годы) - режим работы усилительного элемента, в котором ток, протекающий через усилительный элемент, никогда не прерывается (угол проводимости гармонического сигнала равен 360°). В этом классе рабочая точка находится на середине линейного участка вольтамперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.

Класс B (возник в 1920-е годы) - режим работы усилительного элемента, в котором угол проводимости гармонического сигнала равен или несколько превышает 180°. Рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов - каждый из них усиливает свою "половинку" сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна. Самый главный недостаток - при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения.

Класс AB (возник в 1920-е годы) - режим работы усилительного элемента, промежуточный между режимами A и B. Угол проводимости гармонического сигнала существенно больше 180°, но меньше 360°. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольтамперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении.

Класс D (идея предложена в 1951 году) - полностью ключевой (импульсный) режим работы усилительных элементов. Выходное напряжение определяется скважностями управляющих импульсов, поступающих на верхнее и нижнее плечи выходного каскада. Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. КПД этих усилителей доходит до 92-95%. Однако коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%.

Другие важные классы усилителей включают: AA, A/H, BC, BD, C, CD, DE, E, EF, F, G, H, I, J, K, M, N, S, T, TD, W, Z, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.

Описание проблемы и задачи исследования

Подавляющее число современных усилителей низкой частоты (УНЧ) выполнено по классической схеме дифференциального операционного усилителя с большим коэффициентом усиления, выходным каскадом в классе AB и относительно глубокой обратной связью. Такое схемотехническое решение позволяет при относительно высоком КПД получить приемлемые в большинстве случаев гармонические и динамические искажения. Ограничением параметров усилителя здесь является искусственное ограничение его быстродействия без ООС из условий обеспечения устойчивости. Определённое улучшение качественных параметров возможно за счёт уменьшения глубины обратной связи и одновременно перевода элементов в более линейные режимы. Однако это как правило приводит к снижению КПД. Поэтому, самыми качественными в настоящее время считаются усилители работающие в чистом классе A, хотя и их разрешение относительно невысоко.

Цель и задачи исследования - разработать схемотехнику построения экономичных усилителей низкой частоты с сверхнизкими искажениями.

Решение задачи

В результате системного анализа схемотехнических решений различных усилителей предложен способ уменьшения искажений УНЧ путём их компенсации методом выделения и сложения в противофазе с основным сигналом.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в схеме включающей выделение искажений основного усилителя, например, путём вычитания выходного сигнала ослабленного аттенюатором из входного (или путём их сложения для инвертирующего усилителя), искажения усиливаются дополнительным усилителем в число раз N превышающее усиление К основного усилителя.

Затем выходной сигнал дополнительного усилителя ослабляется аттенюатором или трансформатором (предпочтительно в мощных усилителях) в число раз N/K, т. е. равное отношению коэффициента усиления дополнительного усилителя к коэффициенту усиления основного усилителя и складывается (в противофазе для инвертирующего основного усилителя) с выходным сигналом основного усилителя.

С целью минимизации собственных искажений в контуре усиления сигнала искажений, целесообразно минимизировать фазовые искажения выходного трансформатора и охватить его отрицательной обратной связью. В широкополосном усилителе мощности, с целью снижения габаритов, массы и фазовых искажений выходного трансформатора, целесообразно подавить низкочастотные составляющие спектра сигнала искажений и рассчитать трансформатор на соответствующий частотный диапазон.

Выход полупроводникового основного усилителя мощности с экономичным режимом работы выходного каскада шунтируют RC-цепочкой или конденсатором для уменьшения выходного сопротивления усилителя высокочастотному напряжению при малых уровнях сигнала. Относительно малая мощность дополнительного усилителя предопределяет его выполнение быстродействующим и с режимом класса А.

Пример реализации предложенного способа

В качестве примера реализации предложенного способа может быть представлена принципиальная схема усилителя мощности с компенсацией искажений. Усилитель состоит из предварительного усилителя напряжения (в неинвертирующем варианте) на операционных усилителях и усилителя мощности (в инвертирующем варианте). Резисторы определяют коэффициент усиления основного усилителя напряжения и дополнительного усилителя сигнала искажений. Трансформатор с минимизированными фазовыми искажениями охвачен отрицательной обратной связью через специальную дополнительную обмотку. Фильтр служит для создания отрицательной обратной связи по постоянному и низкочастотному напряжению и определяет полосу частот компенсации искажений.

Динамические искажения низкочастотных сигналов определяются быстродействием дополнительного усилителя искажений, которое должно быть как можно выше (тысячи вольт за микросекунду). Разрешающая способность усилителя практически определяется точностью настройки и качеством пассивных компонентов. Важной отличительной характеристикой предлагаемого решения является возможность выполнения основного усилителя в экономичном классе D.

Выводы

Предложенный метод построения экономичных усилителей низкой частоты со сверхнизкими искажениями позволяет существенно улучшить качественные характеристики усилителей при сохранении высокой энергоэффективности. Международный патентный поиск подтвердил новизну предложенного технического решения, что предопределило оформление соответствующей международной заявки на изобретение и получение декларационного патента Украины.

Список использованной литературы

1. Feed-forward amplifier: патент 3471798 США, МПК Н03F 1/26, 3/68, 1/100. / H. Seidel; заявитель Н. Seidel; патентообладатель «Bell Telephone Laboratories». - № 693546; заявл. 26.12.67; опубл. 07.10.69.
2. Distortion eliminating circuit: патент 4447790 США, МПК Н03F 1/26, 3/26 / R. Fukuda; заявитель R. Fukuda; патентообладатель Nippon Columbia Kabushikkaisha. - № 309578; заявл. 08.10.81; опубл. 08.05.84.
3. Способ компенсации искажений усилителя: Международная заявка на изобретение РСТ/UA03/00011 / Борисов А.А.; заявитель Борисов А.А.; заявл. 25.03.03; опубл. 06.11.03, Бюл. № 03/092156.
4. Способ компенсаций спотворень підсилювача: патент 72936 Україна, МПК Н03F 1/02, 1/32, 3/68. / Борисов О.О.; заявитель и патентообладатель Борисов А.А. - № 2002043409; заявл. 24.04.02; опубл. 16.05.05, Бюл. № 5.