УСИЛИТЕЛЬ И СПОСОБ КОРРЕКЦИИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
AMPLIFIER AND CORRECTION OF AMPLITUDE-FREQUENCY RESPONSE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электроусилительной технике, в частности, к усилителям мощности звуковой частоты, которые нагружены на акустические системы.
Уровень техники
Известно, что наиболее сложной технической проблемой в электроакустических системах является воспроизведение звука на самых низких частотах. В подавляющем большинстве случаев в качестве излучателя на низких частотах используют электродинамические излучатели. В таких излучателях на частотах ниже частоты основного резонанса происходит резкий спад амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) по звуковому давлению, связанный с их физическими принципами работы. Это особенно актуально в малогабаритных акустических системах, в которых диаметр диффузора излучателя и объем акустической системы ограничены жесткими рамками. Эти ограничения не позволяют создать акустическую систему с достаточно низкой частотой основного резонанса.
Одно из возможных решение указанной проблемы предложено в патенте "Loudspeaker distortion reduction systems", US 4052560, John Bryant Santmann, Ост.4, 1977. В этом патенте перед усилителем мощности включают фильтр нижних частот (ФНЧ), который обеспечивает подъем АЧХ усилителя и может полностью компенсировать падение АЧХ акустической системы по звуковому давлению на низких частотах. Основным недостатком этого способа является избыточная коррекция на самых низких частотах. Особенностью большинства низкочастотных электроакустических преобразователей, является то, что на частотах ниже частоты среза более чем в 2.5-3 раза они имеют крайне низкий КПД. Глубокая коррекция АЧХ усилителя на этих частотах неэффективна, приводит к большому уровню нелинейных и переходных искажений, а также значительно ограничивает фактическую максимальную мощность акустической системы. Поэтому данный способ коррекции можно применять с акустическими системами, у которых исходная частота среза не превышает 60-70 Гц (при этом делается допущение, что реальные звуковой сигнал не содержит составляющих со значительным уровнем на частотах меньше 25-30 Гц). Большинство малогабаритных акустических систем не удовлетворяют этим требованиям. Еще одним недостатком является необходимость введения дополнительных усилительных элементов интегратора, которые должны обеспечивать подъем АЧХ усилителя 12 дБ/октаву и более для формирования близкой к горизонтальной АЧХ по звуковому давлению. Это усложняет усилитель и делает его стоимость выше.
Другим известным способом решения проблемы воспроизведения низких частот является использование в усилителе мощности положительной обратной связи (ПОС) по току через электроакустический преобразователь. Эта ПОС создает отрицательное выходное сопротивление усилителя и может обеспечивать подъем АЧХ на низких частотах за счет включения в цепь ПОС фильтра нижних частот. Существует множество вариантов реализации этой идеи с различными цепями частотной коррекции и различным количеством усилительных элементов. Близкой к заявляемому изобретению является схема, описанная в патенте "Acoustic apparatus with secondary quarterwave resonator", US5313525, Michael A. Klasko, May 17, 1994, фиг. 18, стр. 11. Основным недостатком этой схемы является то, что подъем АЧХ усилителя имеет небольшую крутизну и глубина коррекции ограничена условиями устойчивости системы. Из-за этого не удается достигнуть существенного расширения горизонтального участка АЧХ на низких частотах.
Еще один вариант коррекции на низких частотах приведен в патенте "Loudspeaker lower bass response using negative resistance and impedance loading ", US 4118600, Karl Erik Stahl, Okt.3, 1978. Данное решение основано на усилителе с существенным активным отрицательным выходным сопротивлением и значительной составляющей реактивного выходного сопротивления, которая меняет эквивалентные характеристики динамика (например, эквивалентную массу подвижной системы) в целях существенного расширения диапазона воспроизводимых низких частот. Недостатком решения является то, что одновременно с повышением уровня воспроизведения на частотах ниже частоты основного резонанса акустической системы, ухудшается воспроизведение на более высоких частотах. Еще одним недостатком является необходимость в дополнительных усилительных элементах.
Раскрытие изобретения
Функциональная схема усилителя с коррекцией АЧХ на основе полосового фильтра приведена на фиг. 1. Здесь 10 - полосовой фильтр, который обеспечивает необходимый подъем АЧХ усилителя. 11 усилитель, который нагружен на акустическую систему 12. Средняя частота полосового фильтра выбрана существенно ниже частоты среза акустической системы по звуковому давлению на низких частотах. Уровень коррекции, который обеспечивает полосовой фильтр, позволяет расширить горизонтальный участок АЧХ по звуковому давлению примерно до средней частоты полосового фильтра.
Техническими результатом использования полосового фильтра для коррекции АЧХ является:
- Расширение линейной АЧХ по звуковому давлению в области низких частот более чем в два с половиной раза. В малогабаритной акустической системе может быть достигнута нижняя граница диапазона воспроизводимых частот 20 Гц. В частности, это позволяет полностью отказаться от использования акустических систем большого размера и динамиков - сабвуферов в домашних акустических системах и системах для озвучивания относительно небольших помещений.
- После подъема АЧХ следует резкий спад на самых низких частотах. Это является оптимальным с точки зрения эффективности использования акустической системы.
- Расширение диапазона воспроизводимых низких частот может быть реализовано при любом выходном сопротивлении усилителя на низких частотах: отрицательном, близким к нулю или положительном. Как следствие, изобретение может быть использовано с электроакустическими преобразователями любых типов. Величина и характер импеданса преобразователя не является определяющими для достижения заявленного технического результата.
- Возможность использования положительной обратной связи для регулирования добротности полосового фильтра. Крутизна подъема АЧХ полосового фильтра с ПОС хорошо согласуется с крутизной падения АЧХ типичных акустических систем. Это позволяет во многих случаях отказаться от использования дополнительных усилительных элементов.
- Минимальное количество дополнительных элементов усилителя. Для достижения заявленного технического эффекта в типовой усилитель мощности нужно добавить один резистор малой мощности и один конденсатор небольшой емкости.
Следует отметить, что создание излучателя с запасом по мощности является относительно простой технической задачей, которая имеет известные решения. Кроме этого, для получения меньших нелинейных искажений акустические системы в большинстве случаев имеют значительный запас по мощности и редко используются при мощности, близкой к максимальной. В то же время, снижение частоты основного резонанса акустической системы упирается в фундаментальные физические характеристики, такие как вес и гибкость подвижной системы излучателя, и упругость воздуха внутри акустической системы. Существенное изменение этих характеристик невозможно при заданном диаметре диффузора и объеме акустической системы. Заявляемое изобретение предлагает в значительной степени решить фундаментальные проблемы воспроизведения нижних частот без снижения частоты основного резонанса акустической системы.
Кроме расширения диапазона воспроизводимых низких частот изобретение позволяет получить следующие альтернативные технические результаты (указанные технические возможности могут быть использованы по отдельности или в комбинации, с соответствующим распределением технического эффекта):
- Уменьшение объема акустической системы в несколько раз без сужения диапазона воспроизводимых нижних частот. Глубина коррекции АЧХ в предложенном усилителе является достаточной для того, чтобы уменьшить размер корпуса акустической системы до размеров излучателя и сохранить при этом достаточно низкочастотную границу воспроизводимого диапазона. Это позволяет использовать способ производства, отличающийся тем, что корпус акустической системы имеет размеры, близкие к геометрическим размерам электроакустического излучателя, и может быть изготовлен одновременно с корпусом электроакустического излучателя и являться при этом элементом конструкции самого излучателя. Техническим результатом для такой акустической системы является отсутствие необходимости в каком либо дополнительном акустическом оформлении при ее использовании. Такая акустическая система может работать в открытом пространстве или быть установлена в корпус электронного устройства. Для уменьшения упругости воздуха внутри такой акустической системы на низких частотах в корпус акустической системы сзади диффузора устанавливаются различные варианты акустического сопротивления или используют фазоинвертор, например, с выходной щелью вокруг диффузора. В конструкции такого излучателя держатель диффузора одновременно является частью фазоинвертора.
- Использование динамического излучателя с более легким диффузором или более жестким подвесом (и более высокой воспроизводимой верхней частотой и лучшей переходной характеристикой, но с более высокой частотой основного резонанса) без сужения диапазона воспроизводимых низких частот.
В типичной реализации полосовой фильтр состоит из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот (ФВЧ). Типичный усилитель мощности обычно содержит разделительный конденсатор на входе и/или выходе, который является ФВЧ. Наличие разделительного конденсатора на выходе усилителя является обязательным при использовании однополярного питания и позволяет повысить надежность усилителя, по сравнению с усилителем без разделительного конденсатора. С другой стороны, разделительный конденсатор ограничивает уровень низких частот и ухудшает электрическое демпфирование акустической системы. Изобретение предлагает использовать разделительный конденсатор в качестве элемента полосового фильтра. Это позволяет добиться положительного эффекта, который прямо противоположен указанным недостаткам: расширению диапазона воспроизводимых низких частот и улучшению демпфирования излучателя.
Хотя изобретение позволяет реализовать технический результат путем добавления в стандартный усилитель мощности всего нескольких пассивных компонентов, оно не исключает добавление в схему дополнительных усилительных элементов. Это не меняет сущность изобретения. Например, в усилителях с повышенной мощностью при максимально допустимой величине резистора в датчике тока может быть недостаточно глубины ПОС. В этом случае в цепь ПОС может быть добавлен усилитель (как показано в приведенном выше патенте US 5313525).
Тип усилителя мощности также не имеет решающего значения для настоящего изобретения. В качестве усилителя могут быть использованы мощные операционные усилители, мостовые схемы усилителей, усилители без дифференциального входа, композитные усилители или усилители других классов, например класса D. Изобретение также не исключает использование трансформаторов в сигнальных цепях.
Так как в рассматриваемом усилителе используются простые элементы обработки сигналов (ФНЧ, ФВЧ, суммирование/вычитание, регулирование коэффициента передачи), заявляемое изобретение может быть реализовано с использованием цифровой обработки сигналов. Цифровая реализация указанных элементов является хорошо известной.
Рассматриваемый в изобретении способ коррекции АЧХ может быть использован совместно с акустическими системами, имеющими различное акустическое оформление. Основной областью применения являются системы, которые воспроизводят низкие частоты: широкополосные, многополосные или предназначенные для воспроизведения только низких частот. В частности, это могут быть колонки закрытого типа или с фазоинвертором, акустические экраны, наушники различных типов, а также электроакустические излучатели, устанавливаемые в корпуса радиоэлектронных устройств без специального акустического оформления. В качестве излучателей акустических систем могут быть использованы динамические излучатели или излучатели других типов.
Тип акустического оформления электроакустического преобразователя также не является определяющим. Закрытая акустическая система или фазоинвертор не являются единственно возможными. Сама возможность подъема АЧХ усилителя не зависит от акустического оформления излучателя.
При использовании фазоинвертора оптимальное соотношение средней частоты полосового фильтра и резонанса фазоинвертора может быть различной и зависеть от акустического оформления, параметров излучателя, требований к неравномерности АЧХ и диапазону воспроизводимых низких частот, нелинейным искажениям или может зависеть от других факторов. При этом частота резонанса фазоинвертора может быть выше или ниже или равна частоте резонанса полосового фильтра.
Таким образом, рассматриваемый в изобретении усилитель и способ расширения диапазона воспроизводимых нижних частот является простым, универсальным, чрезвычайно дешевым и эффективным.
В более общем случае, изобретение может использоваться не только в области самых низких звуковых частот и/или не только совместно с акустическими системами. Предложенный квазирезонансный эффект не зависит от электрических характеристик нагрузки и может быть достигнут на других частотах и с нагрузками других типов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Функциональная схема усилителя с коррекцией АЧХ на основе полосового фильтра.
Фиг. 2. Усилитель на основе моста Вина.
Фиг. 3. Реализация усилителя с минимальным количеством дополнительных элементов.
Фиг. 4. Усилитель с ПОС по току через нагрузку в соответствии с пунктами 1 и 5 формулы.
Фиг. 5. Усилитель с конденсатором, включенным последовательно с нагрузкой в соответствии с пунктами 1 и 3 формулы.
Фиг. 6. Усилитель с ФНЧ между выходом и инвертирующим входом с пунктами 1 и 6 формулы.
Фиг. 7. Графики АЧХ выходного напряжения.
Фиг. 8. Графики АЧХ по звуковому давлению.
Фиг. 9. Усилитель с однополярным питанием в соответствии пунктами 1, 3, 4 и 5 формулы.
Фиг. 10. Мостовой усилитель в соответствии с пунктами 1 и 2 формулы.
Фиг. 11. Усилитель с переменным выходным импедансом.
Фиг. 12. Реализация с усилителем класса D и цифровой обработкой сигнала в соответствии с пунктами 1, 2, 10 и 11 формулы.
Фиг. 13. Усилитель с регулированием глубины ООС в зависимости от выходного сигнала в соответствии с пунктам 1 и 12 формулы.
Фиг. 14. Усилитель с регулированием глубины ПОС с пунктам 1 и 12 формулы.
Фиг. 15. Схема авторегулирования по активному сопротивлению излучателя.
Фиг. 16. АЧХ усилителя при регулировании с ограничением низкочастотного сигнала при большой выходной мощности в соответствии с пунктам 1 и 13 формулы.
Реализация изобретения
На фиг. 2а приведен вариант реализации усилителя с использованием полосового фильтра. Здесь в качестве усилительного элемента использован мощный операционный усилитель 11, который нагружен на акустическую систему с излучателем 12. Усилитель охвачен частотно-независимой отрицательной обратной связью (ООС) через резисторы 21 и 22. Цепь положительной обратной связи (ПОС) состоит из полосового фильтра (последовательно включенные ФВЧ и ФНЧ), который содержит элементы 25, 26, 23, 24. Данная схема хорошо известна как мост Вина и обычно используется в генераторах низкой частоты. В настоящем изобретении эта схема используется в качестве усилителя, который нагружен на электроакустический преобразователь, и имеет специальную настройку АЧХ. Параметры цепей обратной связи выбраны исходя из достаточной устойчивости усилителя. Это означает, что колебательные процессы, которые могут возникнуть, например, в результате переходных процессов, являются затухающими. Частота квазирезонанса полосового фильтра выбрана существенно ниже частоты среза акустической системы на низких частотах. Коэффициент усиления на средних и высоких частотах определяется цепью ООС. Глубина коррекции АЧХ зависит от соотношения положительной и отрицательной обратной связи. ПОС обеспечивает подъем АЧХ усилителя относительно средних частот при сохранении достаточной устойчивости усилителя. Необходимый уровень коррекции на низких частотах обычно достигается при близких коэффициентах передачи делителей 21, 22 и 23, 24 (за исключением описанного ниже случая, когда частота среза ФВЧ больше частоты среза ФНЧ).
Учитывая, что типичный усилитель мощности имеет близкое к нулю выходное сопротивление, на фиг. 26 приведена схема, эквивалентная схеме фиг. 2а. Здесь полосовой фильтр собран на отдельном усилительном элементе 11. 27 является выходным усилителем мощности. Таким образом, усилитель может как образовывать полосовой фильтр, так и включать отдельный элемент полосового фильтра.
На фиг. 3 приведен другой вариант реализации. В этой схеме полосовой фильтр реализован как комбинация ФНЧ в цепи ПОС и ФВЧ в цепи ООС.ФВЧ образован входным разделительным конденсатором 31. Учитывая, что разделительный конденсатор на входе является необходимым элементом большинства типовых усилителей мощности, то по сравнению с типовым усилителем данная схема содержит всего два дополнительных элемента: резистор 24 малой мощности, и конденсатор 25 небольшой емкости. При этом конденсатор 31 может иметь существенно меньшее значение по сравнению с типовой величиной. Схема работает аналогично схеме, приведенной на фиг. 2. Коэффициент усиления на средних и высоких частотах определяется резисторами 21 и 22. Необходимый уровень коррекции на низких частотах обычно достигается при близких коэффициентах передачи делителей 21, 22 и 23, 24 (за исключением описанного ниже случая, когда частота среза ФВЧ больше частоты среза ФНЧ).
В настоящем описании рассматривается два типа ПОС: ПОС по выходному напряжению и ПОС по току через нагрузку. Схемы на фиг. 2 и 3 иллюстрируют использование ПОС по выходному напряжению. На фиг. 4 показана ПОС по току через нагрузку. Здесь резистор 41 является детектором тока через нагрузку. Его величина существенно меньше импеданса нагрузки. Напряжение на резисторе 41 пропорционально току через нагрузку. В этой схеме определяющее значение имеет коэффициент деления делителя 12, 41. Чем меньше величина 41, тем больше коэффициент усиления усилителя при котором может быть достигнут необходимый уровень коррекции. В остальном эта схема является близкой к схеме на фиг. 3.
На фиг. 5а показан усилитель, в котором функции ФВЧ выполняет конденсатор 51, который подключен на выходе усилителя последовательно с нагрузкой. Эта схема является близкой к схеме на фиг. 4 и одновременно является модификацией моста Вина. На фиг. 5б показан усилитель с дополнительной петлей ООС через резистор 52, которая охватывает выходной конденсатор. Эта обратная связь позволяет уменьшить емкость конденсатора 51 без снижения частоты резонанса полосового фильтра.
Еще один вариант ФВЧ на основе ООС приведен на фиг. 6. Здесь между выходом усилителя и инверсным входом усилителя включен ФНЧ на основе конденсатора 64. Коэффициент усиления усилителя на средних и высоких частотах определяется Τ-образной цепью 61, 62, 63 и резистором 21. В остальном этот усилитель работает аналогично приведенным выше.
Все приведенные усилители имеет близкие АЧХ при настройке цепей обратных связей в соответствии с изобретением. Так же они имеют характерную для резонансной системы фазо-частотную характеристику с нулевым сдвигом фазы на частоте близкой к частоте резонанса (180° для инверсного усилителя), с опережением фазы на частотах несколько меньших частоте резонанса, и с запаздыванием фазы на частотах несколько больше частоты резонанса.
АЧХ для выходного напряжения рассматриваемых усилителей иллюстрируют графики на фиг. 7. На них показаны полученные экспериментально АЧХ усилителей при максимальной глубине ПОС, которая ограничена условиями устойчивости на низких частотах. Расчет усилителей на Spice - моделях хорошо согласуется с экспериментальными результатами. В качестве электроакустического преобразователя использована динамическая головка прямого излучения в акустическом оформлении с фазоинвертором. Кривая 71 показывает АЧХ усилителя, который приведен в указанном выше патенте US5313525 (с ПОС по току через нагрузку, которая включает ФНЧ). Кривая 72 показывает АЧХ усилителя в соответствии с изобретением для ПОС по току через нагрузку (схемы фиг. 4-6). Кривая 73 показывает АЧХ усилителя для ПОС по выходному напряжению (схемы фиг. 2, 3). Здесь FOP3 - частота основного резонанса акустической системы. FP3M - резонансная частота полосового фильтра.
Кривые 72, 73 на фиг. 7 имеют следующие отличия от кривой 71:
1) Имеют вдвое большую крутизну подъема АЧХ на частоте ниже частоты основного резонанса излучателя (участок между частотами FOP3 и FP3M). Достигнутая крутизна хорошо согласуется с падением АЧХ акустической системы по звуковому давлению и является достаточной для расширения горизонтальной области АЧХ по звуковому давлению до частоты FP3M.
2) Максимальный подъем АЧХ в звуковом диапазоне больше по абсолютному значению (в максимуме в два и более раза) и происходит на частотах, на которых излучатель имеет относительно небольшую потерю КПД.
3) Обеспечивается резкий спад АЧХ на частотах ниже частоты FP3M.
Указанные отличия позволяют добиться основного технического эффекта - значительного расширения горизонтального участка АЧХ по звуковому давлению при сохранении достаточно высокой эффективности акустической системы.
В описании частота FP3M (фиг. 7) называется частотой резонанса усилителя. При этом подразумевается, что при использовании ПОС по току через нагрузку импеданс нагрузки может иметь определенное влияние на эту частоту. В тоже время, при разном импедансе нагрузки может быть получен близкий технический результат. Просто для этого может потребоваться другой выбор величин элементов цепей обратной связи усилителя.
Фиг. 8 иллюстрирует полученный технический эффект на графиках АЧХ по звуковому давлению. Кривая 81 показывает АЧХ при работе с линейным усилителем с нулевым выходным сопротивлением. Кривая 82 показывает АЧХ при работе с усилителем по схеме фиг. 4. В акустической системе установлена простейшая динамическая головка прямого излучения начального класса диаметром 10 см и импедансом 6 Ом. Усилитель фиг. 4 имеет следующие значения элементов: 21=5.3 кОм, 22=330 кОм, 23=91 кОм, 24=10 кОм, 25=0.1 мкФ, 31=4.4 мкФ, 41=0.16 Ом и сигнал ПОС снимается с подстроенного резистора, который включен параллельно 41 (на схеме не показано). Из графиков видно, что при использовании настоящего изобретения акустическая система с частотой основного резонанса 170 Гц эффективно воспроизводит частоты начиная с 30 Гц. Это соответствует расширению диапазона воспроизводимых низких частот в три раза. Частота 20 Гц по среднечастотному уровню экспериментально достигнута в типовой малогабаритной акустической системе с диаметром динамика 13 см. Указанные экспериментальные результаты приведены для простейших акустических систем и не ограничивают изобретение. Использование различных дополнительных технических решений позволяет существенно улучшить эти результаты не меняя сущности изобретения. Заявляемый технический результат изобретения является относительным и не выражается в значениях конкретных частот.
На схемах, приведенных в описании, в качестве элементов с частотно-зависимыми характеристиками использованы конденсаторы. Использование только RC цепей не является обязательным для изобретения. Изобретение может быть реализовано на LC цепях, на электронных эквивалентах реактивного сопротивления или с использованием цифровой обработки сигналов в любой комбинации. Поэтому термины резонансная, квазирезонансная и средняя частота полосового фильтра рассматриваются в настоящем описании как синонимы. Приведенные варианты полосового фильтра не являются исчерпывающими. Существует множество других схем. Схемотехника полосового фильтра не является определяющей для изобретения. Кроме фильтров первого порядка могут использоваться фильтры более высоких порядков, которые содержат более одного элемента с частотно-зависимой характеристикой.
Приведенные выше схемы не содержат цепей питания. Они предполагают типовое двуполярное питание. В остальном эти схемы являются полностью функциональными. Полярность питания не является существенной для изобретения. Все схемы настоящего описания могут быть модифицированы очевидным образом для использования однополярного или двуполярного питания. На фиг. 9 приведен вариант реализации изобретения при использовании однополярного питания. Все конденсаторы на этой схеме могут оказывать влияние на резонансную частоту усилителя. В зависимости от того, какой из конденсаторов имеет определяющее значение, это схема может быть эквивалентна соответствующей схеме из приведенных выше. Также возможно комбинирование. Общая стратегия выбора значений элементов может заключаться в первоначальном выборе величины 51 и 41. Емкость конденсатора 51 обычно как минимум на два порядка больше емкости всех остальных конденсаторов. Ее величина должна быть разумно большой. Уменьшение этой емкости и связанный с этим рост реактивного импеданса конденсатора может привести к неэффективному использованию напряжения питания на самых низких частотах и росту нелинейных искажений. Величина резистора 41 является определяющей для коэффициента усиления усилителя на средних и высоких частотах. Если при приемлемом значении 41 коэффициент усиления получается слишком большим, на входе усилителя можно использовать резистивный делитель напряжения. Дополнительно такой делитель может уменьшать влияние сопротивления источника сигнала. Частоту среза ФНЧ в цепи ПОС (24, 25) выбирают исходя из получения горизонтальной АЧХ по звуковому давлению. Более высокая частота среза позволяет добиться подчеркнутого воспроизведения низких частот. Величину остальных конденсаторов выбирают исходя из получения необходимой частоты резонанса усилителя.
Возможный вариант мостовой схемы усилителя в соответствии с заявляемым изобретением приведен на фиг. 10 (мостовые усилители обычно используют для получения большой выходной мощности при небольшом напряжении питания, например, в переносной и автомобильной аппаратуре или при питании от компьютерного порта USB). В этой схеме усилители 1012 и 1013 образуют мостовой усилитель мощности. На усилителе А103 и резисторах 107, 108, 109, 1010 собран дифференциальный усилитель, формирующий сигнал ПОС по току через нагрузку. Элементы 105, 1014, 106, 1015 образуют полосовой фильтр. Цепь ООС образована резисторами 101, 102 и 103. Глубину ООС можно регулировать изменением величины резистора 101. Данная схема работает аналогично схеме фиг. 2 (с ПОС по току через нагрузку). Схема фиг. 10 может быть модифицирована очевидным образом для использования однополярного питания.
В настоящем описании рассматривается два типа ПОС: ПОС по выходному напряжению и ПОС по току через нагрузку. Усилитель с ПОС по выходному напряжению имеет близкое к нулю выходное сопротивление. Усилитель с ПОС по току через нагрузку имеет существенное отрицательное выходное сопротивление на частотах, близких к частоте резонанса усилителя. В большинстве приведенных схем показано использование только одного типа ПОС.Тем не менее, если необходимость ПОС по току не заявлена, схемы могут быть модифицированы очевидном образом для использования любого типа ПОС. Выбор типа ПОС во многом зависит от типа излучателя и условий использования усилителя.
Основным преимуществом ПОС по выходному напряжению является слабая зависимость АЧХ и коэффициента усиления усилителя от импеданса нагрузки. Этот вариант является предпочтительным, если усилитель должен работать на нагрузки с различным импедансом. Другим преимуществом ПОС по выходному напряжению является несколько больший максимальный уровень коррекции АЧХ при сохранении устойчивости и несколько большая дополнительная площадь усиления на низких частотах.
При работе на электро-динамический излучатель с определенным импедансом в большинстве случаев предпочтительно использовать ПОС по току через нагрузку. Ее основным преимуществом является улучшенное демпфирование акустической системы. Кроме этого, в ряде случаев могут быть достигнуты меньшие линейные и нелинейные искажения. Еще одним преимуществом ПОС по току является существенное авторегулирование уровня коррекции в зависимости от активного импеданса нагрузки. Одной из особенностей рассматриваемых схем является то, что при большом уровне коррекции АЧХ небольшое изменение активного импеданса приводит к существенному уменьшение уровня коррекции. Например, увеличение импеданса на 20% из-за нагрева звуковой катушки может приводить к уменьшению уровня коррекции на частоте резонанса усилителя в два раза. Это повышает надежность при работе излучателя на мощности близкой к максимальной, а также ограничивает уровень возможной автогенерации, например, при настройке усилителя.
В общем случае рассмотренный способ коррекции АЧХ может использоваться в усилителях с любым выходным сопротивлением. Например, усилитель А2 на фиг. 2б может иметь любое выходное сопротивление.
Если усилитель нагружен на широкополосный динамический излучатель, то повышенный уровень низкочастотного сигнала может вести к росту интермодуляционных искажений на высоких частотах из-за индуктивной составляющей импеданса головки. Поэтому на высоких частотах оптимальным может быть положительное индуктивное выходное сопротивление, которое позволяет уменьшить интермодуляционные искажения. В то же время, на средних частотах использование усилителя с близким к нулю выходным сопротивлением является предпочтительным для эффективного демпфирования локальных резонансов и более оптимального регулирования тока через излучатель. Кроме этого, на средних частотах работают фильтры многополосных акустических систем, которые обычно проектируются исходя из нулевого выходного сопротивления усилителя. В настоящем изобретении для оптимального регулирования предлагается использовать усилитель, который имеет отрицательное выходное сопротивление на низких частотах, близкое к нулю выходное сопротивление на средних частотах и положительный индуктивный импеданс на высоких частотах. Техническим результатом такого решения является близкое к оптимальному согласование акустической системы и усилителя, а также универсальность, позволяющая усилителю работать как на многополосную акустическую систему, так и на акустическую систему с широкополосным излучателем. Схема, реализующая эту идею, приведена на фиг. 11. На этой схеме цепь ПОС на элементах 23, 24, 41, 25 обеспечивает отрицательное выходное сопротивление на низких частотах в соответствии с настоящим изобретением. Цепь ООС по напряжению через ФНЧ 115 обеспечивает близкое к нулю выходное сопротивление на средних частотах. На высоких частотах глубина этой ООС падает и определяющую роль начинает играть цепь ООС по току через ФВЧ 116, которая формирует выходной положительный индуктивный импеданс усилителя.
Заявляемое изобретение основано на элементах простой линейной обработки сигналов: ФНЧ, ФВЧ, суммирование, измерение и изменение уровня. Все эти элементы хорошо известны и легко реализуются в цифровых устройствах. Поэтому заявленный способ коррекции АЧХ может быть реализован с использованием цифровой обработки сигналов. Так как усилитель работает в низкочастотном диапазоне, высокие требования к быстродействию цифрового устройства не предъявляются. Это может быть специализированный или универсальный процессор. Возможный вариант реализации усилителя с цифровым входом и использованием цифровой обработки сигнала приведен на фиг. 12. Здесь 121 - цифровой процессор, 122 - усилитель класса D, 125 - детектор тока, формирующий сигнал ПОС по току через нагрузку (в простейшем случае резистор с величиной, существенно меньше сопротивления нагрузки), 123 - аналогово-цифровой преобразователь, 124 - ФНЧ. ФНЧ позволяет снизить требование по быстродействию к АЦП и одновременно является элементом полосового фильтра. В общем случае, ФНЧ полосового фильтра может быть реализован в цифровом процессоре. Все схемы усилителей настоящего описания с ПОС по току через нагрузку могут быть реализованы очевидным образом в виде функционального кода в цифровом процессоре.
Одним из аспектов глубокой коррекции АЧХ на низких частотах является высокая вероятность перегрузки усилителя при входном сигнале большого уровня. Как было отмечено выше, в приведенных реализациях изобретения уровень коррекции АЧХ усилителя зависит от соотношения ООС и ПОС. Поэтому величина коррекции АЧХ может регулироваться в зависимости от уровня сигнала изменением глубины ПОС и/или ООС.
Пример усилителя с регулированием глубины ООС в зависимости от выходного сигнала приведен на фиг. 13. На этой схеме устройство 133 имеет управляемый переменный коэффициент передачи. Выпрямитель 134 осуществляет выпрямление и сглаживание управляющего сигнала. Увеличение глубины ООС при превышении выходным сигналом некоторого уровня одновременно со снижением общего коэффициента усиления уменьшает глубину частотной коррекции. Из-за нелинейной зависимости уровня коррекции от соотношения ПОС и ООС сначала ограничение происходит преимущественно на низких частотах. Если спектр выходного сигнала содержит мало низкочастотных составляющих, ограничивается высь спектр. При этом сигнал для регулирования может сниматься как с выхода усилителя, так и с резистора токовой обратной связи 41 (не схеме не показано). В первом случае сигнал пригоден для прямого детектирования, так как уровень ограничения заведомо выше одного вольта. Во втором случае может потребоваться усиление управляющего сигнала. Другим недостатком снятия сигнала с резистора 41 является снижение чувствительности на частоте основного резонанса излучателя из-за роста его импеданса, при том, что именно на этой частоте вероятность перегрузки излучателя является наиболее высокой.
Так как уровень коррекции в схеме фиг. 13 зависит от соотношения глубины ООС и ПОС, регулируемый элемент может быть включен в цепь ПОС или обе цепи могут включать регулируемый элемент. В отличие от регулирования ООС при регулировании ПОС коэффициент усиления на средних и высоких частотах остается неизменным.
Реализация усилителя с регулированием глубины ПОС в зависимости от разницы между входным и выходным сигналом приведен на фиг. 14. Здесь элемент с регулируемым коэффициентом передачи 143 включен в цепь ПОС. Особенностью этой схемы является то, что в качестве управляющего сигнала использована разница входного и выходного сигнала. Разностный сигнал детектируется и усредняется детектором 144. Полученный сигнал управляет устройством с переменным коэффициентом передачи 143 в цепи ПОС. Соотношение между входным и выходным сигналом при суммировании может быть выбрано таким образом, чтобы максимально уменьшить управляющий сигнал на средних и высоких частотах. Это позволяет, во-первых, повысить точность управления, так как цепь ПОС содержит ФНЧ и регулирование глубины ПОС влияет в основном на коррекцию АЧХ на низких частотах. Во-вторых, такой способ регулирования значительно более чувствителен к сигналу, который есть на выходе усилителя, но отсутствует на входе. Это может быть сигнал возможной паразитной автогенерации на частоте резонанса усилителя и/или нелинейные искажения усилителя. Высокая чувствительность к сигналу автогенерации позволяет удерживать усилитель от самовозбуждения или существенно ограничивать уровень генерации. Следствием этого является возможность добавления в конечное устройство ручной регулировки уровня коррекции АЧХ без риска выхода из строя акустической системы. Высокая чувствительность к нелинейным искажениям усилителя может иметь существенное значение, например, в переносной аппаратуре. При падении напряжения на элементах питания уменьшается уровень неискаженной выходной мощности. Вместе с этим уменьшается порог ограничения уровня коррекции АЧХ. Дополнительно повысить чувствительность к нелинейным искажениям можно с помощью ФВЧ, установленным перед выпрямителем.
Так как цепи обратной связи имеют коэффициент передачи от выхода усилителя к входу намного меньше единицы, в схемах фиг. 13 и 14 элементы 133 и 143 с изменяемым коэффициентом передачи не требуют обязательного усиления сигнала. Это могут быть пассивные делители напряжения, например, на основе полевого транзистора, оптоэлектронного устройства или делителя, управляемого цифровым сигналом. Также возможно использование активных устройств с управляемым коэффициентом усиления.
Так как на частоте резонанса усилителя характер импеданса динамического излучателя является близким к активному, определяющей величиной для глубины ПОС по току через нагрузку является активное сопротивление излучателя. Небольшое изменение активного сопротивления, например, из-за изменения температуры звуковой катушки, может быть учтено на стадии проектирования усилителя. В то же время, если усилитель не рассчитан на работу с определенной акустической системой, то подключение нагрузок с разным импедансом (например, 4-6-8 Ом) может оказать значительное влияние на АЧХ. Самым простым решением этой проблемы является ручной переключатель глубины ООС или ПОС. Более совершенным решением является автоподстройка под активный импеданс излучателя. Схема, реализующая эту идею, приведена на фиг. 15. Здесь излучатель 12 включен в плечо моста из резисторов 151, 152, 41. Через этот мост может быть пропущен небольшой постоянный ток через резистор 154, который не оказывает заметного влияния на работу акустической системы. Управляющий сигнал формируется дифференциальным усилителем 1511. ФНЧ 158, 159, 1510 выделяют постоянную составляющую сигнала моста. Мост содержит элемент с управляемым коэффициентом передачи 157. Этот элемент может быть подключен к любому плечу моста (на схеме показано подключение к цепи ПОС). Делитель 155, 156 корректирует сигнал моста с учетом того, что имеется еще одна петля ООС через резистор 22. Благодаря петле управления по постоянному току поддерживается балансировка моста. Одновременно с этим происходит поддержание постоянного соотношения между общей ООС и ПОС. В результате АЧХ усилителя мало зависит от активного сопротивления нагрузки. На схеме фиг. 15 конденсатор 51 может отсутствовать, а для получения необходимой АЧХ может быть использовано другое решение, приведенной в данном описании. При этом небольшой постоянный ток через нагрузку может быть получен за счет установки небольшого напряжения смещения на выходе усилителя.
Другой задачей регулирования под активный импеданс нагрузки может быть ограничение уровня коррекции при увеличении активного сопротивления излучателя из-за разогрева звуковой катушки. При этом может быть установлен порог регулирования (например, увеличение импеданса на 20%), при превышении которого начинается ограничение уровня коррекции за счет уменьшения глубины ПОС и/или увеличении глубины ООС.
Приведенные способы адаптации уровня коррекции под импеданс нагрузки и уменьшения уровня коррекции при разогреве звуковой катушки могут быть совмещены в цифровой системе. Для этого вычисляется минимальный импеданс нагрузки, для которого устанавливается необходимый уровень коррекции. При увеличении минимального импеданса уровень коррекции ограничивается.
В схемах на фиг. 13-15 присутствует элемент с регулируемым коэффициентом передачи 133, 143 и 157, используемый в итоге для регулирования соотношения ООС и ПОС. Поэтому один регулируемый элемент может управляться более чем одним управляющим сигналом и выполнять совмещенные функции. Кроме описанных выше, это может быть сигнал ручного управления глубиной коррекции или сигнал, ограничивающий коррекцию и/или усиление при включении и/или выключении питания.
На примере реализации фиг. 14 видно, что при разрыве петли ПОС это обычный усилитель с конденсатором на входе. Если при проектировании усилителя поставлена задача расширения диапазона воспроизводимых частот акустической системы, то частоту среза ФВЧ входного конденсатора целесообразно выбирать меньше частоты среза акустической системы. Вмести с этим, заявляемое изобретение позволяет решить несколько другую задачу: существенно расширить диапазон воспроизводимых низких частот при средней мощности выходного сигнала и значительно ограничить низкие частоты при максимальной выходной мощности. Одним из технических эффектов такого решения может быть эффективное использование маломощных излучателей. Полосовой фильтр в типичной реализации является комбинацией ФВЧ и ФНЧ. Изобретение позволяет выбрать частоту среза ФВЧ намного больше частоты среза ФНЧ (в десять раз и более). Резонансная частота усилителя соответствует частоте баланса фаз полосового фильтра, которая в этом случае намного меньше частоты среза ФВЧ. Указанное регулирование иллюстрируют графики АЧХ усилителя на фиг. 16. Здесь кривая 161 соответствует максимальной глубине ПОС при среднем уровне выходного сигнала. Кривая 162 соответствует минимальной глубине ПОС при максимальной мощности выходного сигнала. Схема усилителя, который реализует такое регулирования, не отличается от приведенных выше (вопрос заключается только в выборе частоты среза фильтров). Регулируемый элемент может быть в цепи ПОС и/или ООС. В качестве управляющего сигнала можно использовать выходной сигнал, разницу между выходным и входным сигналом, сигнал, пропорциональный активному сопротивлению нагрузку, или любую комбинацию этих сигналов.