МОДЕЛЬ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Область техники
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и предназначена для имитации функциональной структуры усилителей мощности сигналов звуковой частоты в научных и учебных целях.
Цель полезной модели заключается в расширении имитационных возможностей.
Поставленная цель достигается тем, что в модель вводятся возможности имитировать такие функциональные особенности работы усилителей мощности, как ограничение полосы пропускания цепи прямой передачи в области высоких частот в целях устранения самовозбуждения, раздельное усиление положительной и отрицательной полуволн сигнала двухтактным выходным каскадом, возникновение искажений, обусловленных перегрузкой по входу и ограничением амплитуды выходного сигнала напряжением источника питания, для чего соединение между выходом первого линейного усилителя и входом второго линейного усилителя разрывается, к выходу первого линейного усилителя подключаются последовательно соединенные первый амплитудный ограничитель и фильтр нижних частот, к выходу последнего подключаются входы двух параллельно соединенных цепей, первая из которых состоит из последовательно соединенных первого однополупериодного выпрямителя и третьего линейного усилителя, а вторая - из последовательно соединенных второго инвертора, второго однополупериодного выпрямителя, третьего инвертора и четвертого линейного усилителя, выходы параллельных цепей, образованные выходами третьего и четвертого линейных усилителей, подключаются к разным входам второго двухвходового сумматора, к выходу которого подключается второй амплитудный ограничитель, выход которого образует выход модели, к которому через выключатель подключается вход цепи обратной связи - вход второго линейного усилителя, при этом все линейные усилители, оба амплитудных ограничителя и фильтр нижних частот выполнены независимо перестраиваемыми.
Описание аналогов
Известна модель усилителя, представляющая собой канал прямого усиления, охваченный цепью общей отрицательной обратной связи (ООС) [1, с.182]. Усилитель содержит блок суммирования и последовательно соединенные между собой входной каскад, группу промежуточных каскадов и группу выходных каскадов, составляющих канал прямого усиления, между выходом которого и инвертирующим входом блока суммирования подключена цепь обратной связи, образующая с каналом прямого усиления петлю общей ООС.
Данная модель отражает лишь позиционное расположение групп каскадов канала прямого усиления и наличие петли общей ООС, но при этом не имитирует сути других происходящих преобразований сигнала.
Описание прототипа
Наиболее близкой к предлагаемой модели является имитационная модель простейшего усилителя с обратной связью, включающая цепь прямой передачи, состоящую из последовательно соединенных двухвходового сумматора и первого линейного усилителя, и цепь обратной связи, состоящую из последовательно соединенных второго линейного усилителя и инвертора, при этом вход второго линейного усилителя, образующий вход цепи обратной связи, подключен к выходу первого линейного усилителя, а выход инвертора, образующий выход цепи обратной связи, подключен к одному из входов двухвходового сумматора, другой вход которого образует вход всей модели, при этом выход всей модели образует выход первого линейного усилителя [2, с.161 - прототип].
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, можно отнести предельную простоту модели, имеющую крайне низкие имитационные возможности для моделирования основных функциональных особенностей работы усилителей мощности сигналов звуковой частоты.
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении имитационных возможностей.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении полезной модели технического результата, который заключается в том, что в модель вводятся возможности имитировать такие функциональные особенностей работы усилителей мощности, как ограничение полосы пропускания цепи прямой передачи в области высоких частот в целях устранения самовозбуждения, раздельное усиление положительной и отрицательной полуволн сигнала двухтактным выходным каскадом, возникновение искажений, обусловленных перегрузкой по входу и ограничением амплитуды выходного сигнала напряжением источника питания.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном устройстве соединение между выходом первого линейного усилителя и входом второго линейного усилителя разрывается, к выходу первого линейного усилителя подключаются последовательно соединенные первый амплитудный ограничитель и фильтр нижних частот, к выходу последнего подключаются входы двух параллельно соединенных цепей, первая из которых состоит из последовательно соединенных первого однополупериодного выпрямителя и третьего линейного усилителя, а вторая - из последовательно соединенных второго инвертора, второго однополупериодного выпрямителя, третьего инвертора и четвертого линейного усилителя, выходы параллельных цепей, образованные выходами третьего и четвертого линейных усилителей, подключаются к разным входам второго двухвходового сумматора, к выходу которого подключается второй амплитудный ограничитель, выход которого образует выход модели, к которому через выключатель подключается вход цепи обратной связи - вход второго линейного усилителя, при этом все линейные усилители, оба амплитудных ограничителя и фильтр нижних частот выполнены независимо перестраиваемыми.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна».
Перечень фигур чертежей
На фигуре представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемую полезную модель, где 1 - первый двухвходовый сумматор; 2 - первый линейный усилитель; 3 - первый амплитудный ограничитель; 4 - фильтр нижних частот; 5 - первый однополупериодный выпрямитель; 6 - третий линейный усилитель; 7 - второй инвертор; 8 - второй однополупериодный выпрямитель; 9 - третий инвертор; 10 - четвертый линейный усилитель; 11 - второй двухвходовый сумматор; 12 - второй амплитудный ограничитель; 13 - выключатель; 14 - второй линейный усилитель; 15 - первый инвертор. Все линейные усилители, оба амплитудных ограничителя и фильтр нижних частот выполнены независимо перестраиваемыми.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Первоначально обоснуем необходимость введения отдельных блоков для отражения основных функциональных особенностей построения усилителей мощности сигналов звуковой частоты (УМСЗЧ).
Типовой УМСЗЧ содержит схему предварительного усиления, построенную обычно либо на операционном усилителе, либо на нескольких транзисторах, образующих дифференциальный усилитель, где все усилительные каскады работают в линейном режиме и не вносят существенных нелинейных искажений, поэтому при имитационном моделировании они условно могут быть представлены как линейный усилительный блок.
В силу того, что любой усилительный каскад является устройством инерционным и имеет конечную полосу частот, следом за усилительным блоком необходимо расположить фильтр нижних частот, обладающий частотой среза на один-два порядка выше граничной частоты усиливаемого сигнала. Однако для сохранения устойчивости работы усилителя при замыкании петли глубокой общей ООС требуется существенное понижение граничной частоты цепи прямого усиления, а значит и фильтра нижних частот вплоть до десятков герц. Сочетание низкочастотной цепи прямого усиления с глубокой общей ООС при усилении громких быстроизменяющихся сигналов приводит к перегрузке усилителя по входу, имитировать которую можно с помощью амплитудного ограничителя, установленного на выходе блока усиления. Этим будет имитироваться механизм так называемых переходных динамических искажений.
Сигнал с выхода схемы предварительного усиления поступает на двухтактную схему усиления мощности. Так как для питания схем двухтактных усилителей, как правило, применяются источники симметричного двух полярного питания, а усиливаемый сигнал подается на вход относительно нулевого провода, то на входе каскадов усиления мощности, работающих в режиме класса AB или B, оказывается сигнал, изменяющийся относительно нулевого потенциала. Следовательно, в одном плече положительная полуволна усиливается, а отрицательная приводит к полному запиранию транзисторов, а в другом наоборот, усиливается отрицательная, а положительная запирает выходные транзисторы. Эквивалентом такой схемы могут служить два однополупериодных выпрямителя, пропускающих один положительную, а другой отрицательную полуволны на входы усилительных блоков. Предлагаемая модель выпрямителя предполагает отсечку только отрицательной полуволны, тогда для отсечки положительной полуволны на входе и выходе выпрямителя необходимо разместить инверторы.
Сигналы с выходов оконечных усилительных блоков суммируются и через амплитудный ограничитель подаются в нагрузку. Наличие ограничителя позволяет имитировать искажения, возникающие при перегрузке, обусловленной конечным значением питающего напряжения усилителя мощности.
Практически любая схема усилителя содержит обратные связи, причем как явные, включенные разработчиками для достижения необходимых технических параметров и качественных показателей, так и неявные, образующиеся благодаря сопротивлению проводников, межэлектродных и межэлементных емкостей и других паразитных факторов. Все они оказывают влияние на работу усилителя и его показатели, приводя к самовозбуждению на высоких частотах, повышению уровня собственных шумов или специфическим искажениям усиливаемого сигнала. Реализация в модели обратной связи может быть осуществлена путем подключения выхода усилителя через безынерционный усилительный блок и инвертор к дополнительному входу модели, который образуется благодаря использованию на входе двухвходового сумматора.
Инвертор, используемый в цепи обратной связи, гарантирует получение отрицательной обратной связи (при условии отсутствии инверсии на выходе модели). Рассматривать инвертор в комплексе с сумматором и входным усилителем можно как модель дифференциального усилителя.
На фигуре представлена модель усилителя, содержащая функциональные блоки, целесообразность наличия которых обсуждена выше. Первый двухвходовый сумматор 1, первый инвертор 15 и первый линейный усилитель 2 образуют функциональный аналог дифференциального усилителя. Фильтр 4 нижних частот служит для ограничения полосы пропускания модели в целях устранения самовозбуждения, обусловленного наличием задержки и бесконечно широкой полосой пропускания элементов линейных усилителей. Первый однополупериодный выпрямитель 5. и третий линейный усилитель 6 имитируют работу плеча усиления положительной полуволны двухтактного выходного каскада. Второй инвертор 7, второй однополупериодный выпрямитель 8, третий инвертор 9 и четвертый линейный усилитель 10 имитируют работу плеча усиления отрицательной полуволны двухтактного выходного каскада. На выходе второго двухвходового сумматора 11 формируется результирующий сигнал с выходов обоих плеч усиления. Первый амплитудный ограничитель 3 и второй амплитудный ограничитель 12 позволяют имитировать искажения, обусловленные ограничением амплитуды сигнала при перегрузке по входу и выходу соответственно. Второй линейный усилитель 14 служит для моделирования цепи обратной связи, глубина ОС задается через его коэффициент передачи (должен быть меньше единицы). Выключатель 13 обеспечивает отключение цепи обратной связи в случаях необходимости исследовательского характера. При этом наличие имитации ограничения рабочего диапазона частот цепи прямого усиления с помощью фильтра 4 и наличие имитации амплитудного ограничения по входу с помощью амплитудного ограничителя 3 в присутствии глубокой общей ООС (второй линейный усилитель 14 и первый инвертор 15) позволяют имитировать механизм возникновения так называемых динамических переходных искажений, присущий УМСЗЧ с инерционной цепью прямой передачи, охваченному глубокой общей ООС.
Предлагаемая модель имитирует наиболее существенные функциональные преобразования звукового сигнала, подвергающегося усилению по мощности.
Модель предназначена для реализации аппаратно-программными средствами и может быть использована для выполнения исследований поведенческого характера, а также для определения количественных и качественных изменений сигнала в различных точках тракта усиления. Возможности независимых перестроек ключевых параметров всех линейных усилителей, обоих амплитудных ограничителей и фильтра нижних частот позволяют исследовать такие важные вопросы проектирования усилителей, как влияние величины петлевого усиления и расположения верхней граничной частоты АЧХ цепи прямого усиления на устойчивость работы усилителя, влияние наличия обратной связи и ее глубины на технические параметры и качественные показатели усилителя и т.д.
Выше изложенное свидетельствует о том, что введение в известное устройство дополнительных функциональных блоков, моделирующих наиболее существенные особенности работы усилителей мощности, позволяет расширить его имитационные возможности.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для имитации функциональной структуры усилителей мощности сигналов звуковой частоты в научных и учебных целях.
- для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 504 с.; ил.
2. Златин И.Л. System View 6.0 - системное проектирование радиоэлектронных устройств. - М.: «Горячая линия - Телеком», 2006. - 424 с; ил. (с.161 - прототип).