УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ
POWER AMPLIFIER OF SOUND FREQUENCY

Заявляемое изобретение относится к области электротехнических и радиотехнических устройств, в частности к усилительной технике, и может быть использовано в качестве усилителя мощности звуковой частоты.
Известен усилитель мощности звуковой частоты [Турута Е.Ф. Справочник «3500 микросхем усилителей мощности низкой частоты и их аналоги» (2-е издание переработанное и дополненное). - М.: ДМК Пресс, 2005, стр. 116], содержащий интегральную микросхему LM-3886TF и внешние элементы микросхемы LM-3886TF.
Недостатками данного технического решения являются низкий уровень выходной мощности звуковой частоты, низкое качество звукового сигнала при использовании низкоомной нагрузки (до 4 Ом).
Известен усилитель мощности звуковой частоты [Турута Е.Ф. Справочник «3500 микросхем усилителей мощности низкой частоты и их аналоги» (2-е издание переработанное и дополненное). - М.: ДМК Пресс, 2005., стр. 223], содержащий интегральную микросхему TDA1103SP и внешние элементы микросхемы TDA1103SP.
Недостатками данного технического решения являются низкий уровень выходной мощности звуковой частоты, низкое качество звукового сигнала при использовании низкоомной нагрузки (до 4 Ом).
Известен усилитель мощности звуковой частоты [Турута Е.Ф. Справочник «3500 микросхем усилителей мощности низкой частоты и их аналоги» (2-е издание переработанное и дополненное). - М.: ДМК Пресс, 2005, стр. 240], содержащий интегральную микросхему TDA7294S и внешние элементы микросхемы TDA7294S.
Недостатком данного технического решения является низкое качество звукового сигнала при использовании низкоомной нагрузки (менее 4 Ом).
Известен усилитель мощности звуковой частоты [Турута Е.Ф. Справочник «3500 микросхем усилителей мощности низкой частоты и их аналоги» (2-е издание переработанное и дополненное). - М.: ДМК Пресс, 2005, стр. 240], содержащий интегральную микросхему TDA7293 и внешние элементы микросхемы TDA7293.
Недостатком данного технического решения является низкое качество звукового сигнала при использовании низкоомной нагрузки (менее 4 Ом).
Известен усилитель мощности звуковой частоты (модуль усиления звука), [Интегральные усилители низкой частоты / Герасимов В.В. - 2-е изд., перераб. и доп.- СПб.: Наука и Техника, 2003, стр. 285], принятый за прототип, содержащий интегральную микросхему TDA7294 и внешние элементы микросхемы TDA7294 (см. Приложение).
В качестве внешних элементов интегральной микросхемы TDA7294 в прототипе используется резистор R1, один вывод которого соединен с отрицательным выводом конденсатора С2, выводом SVR (IN+MUTE) микросхемы и нулевым соединением схемы усилителя, другой вывод сопротивления R1 является отрицательным входом усилителя и соединяется с выводом NON INVERTING INPUT (IN+) микросхемы и неполярным конденсатором С1, другой вывод разделительного конденсатора С1 является положительным входом усилителя. Сопротивление R2 одним выводом подключено к конденсатору С2, другим выводом подключено к инверсному входу INVERTING INPUT (IN-) микросхемы, сопротивление R3 подключено параллельно выводам INVERTING INPUT (IN-) и OUT (OUT) микросхемы, сопротивление R4 подключено к выводу STAND-BY (STBY) микросхемы, другой вывод сопротивления R4 подключен к источнику питания (VSTBY), сопротивление R5 подключено на вывод MUTE (MUTE) микросхемы, другой вывод сопротивления R5 подключен к источнику питания (VM), конденсатор С5 подключен параллельно выводам BOOTSTRAP (BOOTSTRAP) и OUT (OUT) микросхемы, конденсатор С3 подключен параллельно выводам STAND-BY GND (STBY-GND) и MUTE (MUTE) микросхемы, конденсатор С4 подключен параллельно выводам STAND-BY GND (STBY-GND) и STAND-BY (STBY) микросхемы, один вывод конденсатора С6 подключен на выводы +Vs (+Vs) и +Vs (+PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С6 соединен с нулевым соединением схемы усилителя, один вывод конденсатора С7 подключен на выводы +Vs (+Vs) и +Vs (+PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С7 соединен с нулевым соединением схемы усилителя, один вывод конденсатора С9 подключен на выводы -Vs (-Vs) и -Vs(-PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С9 подключен на вывод STANDBY GND (STBY-GND) микросхемы, один вывод конденсатора С8 подключен на выводы -Vs (-Vs) и -Vs(-PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С8 подключен на вывод STAND-BY GND (STBY-GND) микросхемы.
Техническим результатом изобретения является увеличение уровня выходной мощности звуковой частоты (более 200 Вт) при использовании низкоомной нагрузки (до 1 Ом), улучшение качества звукового сигнала, а также увеличение полосы пропускания звуковой частоты за счет параллельного подключения УМЗЧ в количестве два и более.
in
out
Указанный технический результат обеспечивается предложенным усилителем мощности звуковой частоты. Усилитель содержит плату согласования уровня, вход которой предназначен для подключения к источнику аудиосигнала, две и более идентичные платы согласования выходов, модуль усиления звука, состоящий из двух и более идентичных усилителей мощности звуковой частоты, выполненных на интегральных микросхемах с входным сопротивлением (R) от 10 до 500 кОм и выходным максимальным током (Imax) от 4 до 30 А. Количество плат согласования выходов равно количеству усилителей мощности звуковой частоты модуля усиления звука. Положительный выход платы согласования уровня одновременно подключен к положительным входам усилителей мощности звуковой частоты модуля усиления звука, а отрицательный выход платы согласования уровня одновременно подключен к отрицательным входам усилителей мощности звуковой частоты модуля усиления звука. Положительные выходы усилителей мощности звуковой частоты модуля усиления звука подключены к положительным входам соответствующих плат согласования выходов, а отрицательные выходы усилителей мощности звуковой частоты модуля усиления звука подключены к отрицательным входам соответствующих плат согласования выходов. Положительный выход первой платы согласования выходов подключен одновременно к положительным выходам всех последующих плат согласования выходов и является положительным выводом усилителя для подключения нагрузки. Отрицательный выход платы согласования выходов подключен одновременно к отрицательным выходам всех последующих плат согласования выходов и является отрицательным выводом усилителя для подключения нагрузки.
На фиг. 1 представлена структурная схема усилителя мощности звуковой частоты в общем виде с N-м количеством плат согласования выходов (ПСВ-I, ПСВ-II, …, ПCB-N), с модулем усиления звука, содержащим N-e количество усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ-I, УМЗЧ-II, …, УМЗЧ-N), где N обозначает порядковый номер УМЗЧ и ПСВ при их количестве свыше двух. На фиг. 2 представлена принципиальная схема платы согласования уровня (ПСУ 1). На фиг. 3 приведен пример принципиальной схемы одного из идентичных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ-I, УМЗЧ-II, …, УМЗЧ-N), входящих в модуль усиления звука 2. На фиг. 4 представлена принципиальная схема одной из идентичных плат согласования выходов (ПСВ-I, ПСВ-II, …, ПСВ-N). На фиг. 5 приведен пример структурной схемы усилителя мощности звуковой частоты, содержащего две платы согласования выходов (ПСВ-I, ПСВ-II), соответственно, 5 и 6 и модуль усиления звука 2, содержащий два усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ-I, УМЗЧ-II), соответственно, 3 и 4. На фиг. 6 приведен пример структурной схемы усилителя мощности звуковой частоты, содержащего четыре платы согласования выходов (ПСВ-I, ПСВ-II, ПСВ-III, ПСВ-IV), соответственно, 5, 6, 9, 10 и модуль усиления звука 2, содержащий четыре усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ-I, УМЗЧ-II, УМЗЧ-III, УМЗЧ-IV), соответственно, 3, 4, 7, 8.
Усилитель мощности звуковой частоты состоит из платы согласования уровня (ПСУ) 1, модуля усиления звука 2, состоящего из двух и более идентичных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ-I, УМЗЧ-II, …, УМЗЧ-N), соответственно 3 и 4… k (где k - порядковый номер позиции на фиг. 1), идентичных плат согласования выходов (ПСВ-I, ПСВ-II, …, ПСВ-N), соответственно, 5 и 6… h (где h - порядковый номер позиции на фиг. 1). Причем количество плат согласования выходов (ПСВ-I, ПСВ-II, …, ПСВ-N) равно количеству усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ-I, УМЗЧ-II, …, УМЗЧ-N). Вход ПСУ 1 предназначен для подключения к источнику аудиосигнала. Положительный выход ПСУ 1 одновременно подключен к положительным входам усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k модуля усиления звука 2, а отрицательный выход ПСУ 1 одновременно подключен к отрицательным входам усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k модуля усиления звука 2. Положительные выходы усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k модуля усиления звука 2 подключены к положительным входам соответствующих ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h, а отрицательные выходы усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k модуля усиления звука 2 подключены к отрицательным входам соответствующих ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h. Положительный выход ПСВ-I 5 подключен одновременно к положительным выходам ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h и является плюсовым (положительным) выводом усилителя для подключения нагрузки. Отрицательный выход ПСВ-I 5 подключен одновременно к отрицательным выходам ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h и является минусовым (отрицательным) выводом усилителя для подключения нагрузки.
Плата согласования уровня (ПСУ) 1 может быть выполнена, например (см. фиг. 2), из подключенных последовательно подстроечного сопротивления R1 и сопротивления R2. Вывод сопротивления R1 является положительным входом ПСУ 1. Вывод сопротивления R2 подключен через параллельно соединенный дроссель L1 и сопротивление R3 к положительному выходу ПСУ 1. Вывод сопротивления R2 подключен через параллельно соединенные сопротивления R4 и R5 к нулевому соединению схемы усилителя и является отрицательным выходом ПСУ 1. Отрицательный вход ПСУ 1 соединен с нулевым соединением схемы усилителя.
Модуль усиления звука 2 состоит из двух и более идентичных усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-N k, каждый из которых может быть выполнен в виде интегральной микросхемы и внешних элементов интегральной микросхемы. Входные и выходные параметры интегральной микросхемы должны соответствовать приведенным ниже данным:
in
- входное сопротивление микросхемы (R) от 10 до 500 кОм;
out
- выходной максимальный ток (Imax) от 4 до 30 А.
В приведенном ниже примере работы изобретения в качестве каждого из усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k модуля усиления звука 2 использован, для примера, усилитель мощности звуковой частоты, аналогичный прототипу и, соответственно, состоящий из интегральной микросхемы TDA7294 и внешних элементов микросхемы TDA7294 (см. фиг. 3, которая аналогична принципиальной схеме усилителя мощности звуковой частоты принятого за прототип и приведенной в Приложении).
В качестве внешних элементов интегральной микросхемы TDA7294, как и в прототипе, используются резистор R1, один вывод которого соединен с отрицательным выводом конденсатора С2, выводом SVR (IN+MUTE) микросхемы и нулевым соединением схемы усилителя, другой вывод сопротивления R1 является отрицательным входом УМЗЧ-I 3 и соединяется с выводом NON INVERTING INPUT (IN+) микросхемы и неполярным конденсатором С1, другой вывод разделительного конденсатора С1 является положительным входом УМЗЧ-I 3 модуля усиления звука 2. Сопротивление R2 одним выводом подключено к конденсатору С2, другим выводом подключено к инверсному входу INVERTING INPUT (IN-) микросхемы, сопротивление R3 подключено параллельно выводам INVERTING INPUT (IN-) и OUT (OUT) микросхемы, сопротивление R4 подключено к выводу STAND-BY (STBY) микросхемы, другой вывод сопротивления R4 подключен к источнику питания (VSTBY), сопротивление R5 подключено на вывод MUTE (MUTE) микросхемы, другой вывод сопротивления R5 подключен к источнику питания (VM), конденсатор С5 подключен параллельно выводам BOOTSTRAP (BOOTSTRAP) и OUT (OUT) микросхемы, конденсатор С3 подключен параллельно выводам STAND-BY GND (STBY-GND) и MUTE (MUTE) микросхемы, конденсатор С4 подключен параллельно выводам STAND-BY GND (STBY-GND) и STAND-BY (STBY) микросхемы, один вывод конденсатора С6 подключен на выводы +Vs (+Vs) и +Vs (+PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С6 соединен с нулевым соединением схемы усилителя, один вывод конденсатора С7 подключен на выводы +Vs (+Vs) и +Vs (+PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С7 соединен с нулевым соединением схемы усилителя, один вывод конденсатора С9 подключен на выводы -Vs (-Vs) и -Vs (-PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С9 подключен на вывод STAND-BY GND (STBY-GND) микросхемы, один вывод конденсатора С8 подключен на выводы -Vs (-Vs) и -Vs (-PWVs) микросхемы, другой вывод конденсатора С8 подключен на вывод STAND-BY GND (STBY-GND) микросхемы.
Выводы неполярных разделительных конденсаторов С1 (внешний элемент микросхемы TDA7294) каждого из УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k подключены к положительному выходу ПСУ 1 и являются положительными входами УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k. Выводы отрицательных конденсаторов С1, выводы сопротивления R1, выводы SVR (IN+MUTE) микросхемы подключены к отрицательному выходу ПСУ 1, являющемуся отрицательным входом каждого из УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k, соединенных с нулевым соединением схемы усилителя.
Входные отрицательные выводы УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k модуля усиления звука 2 соединены с нулевым соединением схемы усилителя и являются выходными отрицательными выводами УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k. Выводы OUT (OUT) микросхем являются выходными положительными выводами УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, …, УМЗЧ-N k.
ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h являются идентичными и каждый из них может быть выполнен, например (см. фиг. 4), из подключенных последовательно неполярного конденсатора С2 и сопротивления R2, неполярному конденсатору С2 параллельно подключены конденсаторы С1 и С3, включенные последовательно, причем положительный вывод конденсатора С1, соединенного с выводом С2, и является положительным входом ПСВ (ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h), отрицательный вывод конденсатора С1 соединен с отрицательным выводом С3 по принципу неполярного включения, положительный вывод конденсатора С3 соединен с выводом конденсатора С2, подключенного к сопротивлению R2, параллельно сопротивлению R2 подсоединены сопротивления R1 и R3, вывод сопротивления R2 является положительным выводом ПСВ (ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h). Входные отрицательные выводы ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, ПСВ-N h соединены с нулевым соединением схемы усилителя и являются выходными отрицательными выводами ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, …, ПСВ-N h.
Рассмотрим сначала пример №1 работы усилителя мощности звуковой частоты (см. фиг. 5), на примере усилителя, включающего плату согласования уровня (ПСУ 1), модуль усиления звука 2, содержащий два усилителя мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, две платы согласования выходов ПСВ-I 5, ПСВ-II 6.
Затем рассмотрим пример №2 работы усилителя мощности звуковой частоты (см. фиг. 6), содержащего плату согласования уровня (ПСУ 1), модуль усиления звука 2, содержащий N>2 УМЗЧ, к примеру четыре (N=4) усилителя мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8 соответственно, четыре платы согласования выходов ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, ПСВ-III 9, ПСВ-IV 10.
Пример №1 работы усилителя мощности звуковой частоты.
Подключим источник аудиосигнала к входным выводам усилителя, которым являются вход ПСУ 1, а к выходным выводам усилителя, образованным параллельным соединением выходов ПСВ-I 5 и ПСВ-II 6, подключим нагрузку (звуковые колонки и т.п.).
Входной аудиосигнал, напряжение которого составляет не более 8 вольт, подается на плату согласования уровня ПСУ 1, позволяющую согласовать входное напряжение аудиосигнала до необходимого стандартного напряжения (0,775 В), при котором модуль усиления звука 2 работает в штатном режиме. Преобразованный сигнал с ПСУ 1 поступает на УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4. Для увеличения выходной мощности звукового сигнала с модуля усиления звука 2 УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4 подключают параллельно. Параллельное включение УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4 позволяет распределить входной ток, поступающий на вход модуля усиления звука 2, на его составляющие в соответствии с первым законом Кирхгофа. Например, при поступлении на вход модуля усиления звука 2 величины тока равной 10 mkA на вход усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4 поступит входной ток, величина которого будет равна 5 mkA. Распределенный ток поступает на УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4. За счет распределения величины тока, поступающего на УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4, достигается улучшение качества звукового сигнала и увеличение полосы пропускания звуковой частоты на выходе модуля усиления звука 2. Усиленный сигнал с УМЗЧ-I 3 поступает на плату согласования выхода ПСВ-I 5, а усиленный сигнал с УМЗЧ-II 4 поступает на плату согласования выхода ПСВ-II 6. Плата согласования выходов ПСВ-I 5 предназначена для исключения взаимовлияния УМЗЧ-I 3 на работу УМЗЧ-II 4. Плата согласования выходов ПСВ-II 6 предназначена для исключения взаимовлияния УМЗЧ-II 4 на работу УМЗЧ-I 3. Введение в схему ПСВ-I 5 и ПСВ-II 6 позволяет стабилизировать работу УМЗЧ при параллельном включении. Включенные параллельно выходные сигналы с ПСВ-I 4 и ПСВ-II 5 поступают на нагрузку.
Усиление сигнала происходит за счет суммирования выходной мощности УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4 модуля усиления звука 2.
Пример №2 работы усилителя мощности звуковой частоты.
Подключим источник аудиосигнала к входным выводам усилителя, которыми являются вход ПСУ 1, а к выходным выводам усилителя, образованным параллельным соединением выходов ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, ПСВ-III 9, ПСВ-IV 10, подключим нагрузку (звуковые колонки и т.п.).
Входной аудиосигнал, напряжение которого составляет не более 8 вольт, подается на плату согласования уровня ПСУ 1, позволяющую согласовать входное напряжение аудиосигнала до необходимого стандартного напряжения (0,775 В), при котором модуль усиления звука 2 работает в штатном режиме. Преобразованный сигнал с ПСУ 1 поступает на УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8 модуля усиления звука 2. Для увеличения выходной мощности звукового сигнала с модуля усиления звука 2, УМЗЧ-I 3 и УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8 подключают параллельно. Параллельное включение УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8 позволяет распределить входной ток, поступающий на вход модуля усиления звука 2, на его составляющие в соответствии с первым законом Кирхгофа. Распределенный ток поступает на УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8. Например, при поступлении на вход модуля усиления звука 2 величины тока равной 20 mkA на вход усилителей мощности звуковой частоты УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8 поступит входной ток, величина которого будет равна 5 mkA. За счет распределения величины тока, поступающего на УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8, достигается улучшение качества звукового сигнала и увеличение полосы пропускания звуковой частоты на выходе модуля усиления звука 2. Усиленный сигнал с УМЗЧ-I 3 поступает на плату согласования выхода ПСВ-I 5, усиленный сигнал с УМЗЧ-II 4 поступает на плату согласования выхода ПСВ-II 6, усиленный сигнал с УМЗЧ-III 7 поступает на плату согласования выхода ПСВ-III 9, усиленный сигнал с УМЗЧ-IV 8 поступает на плату согласования выхода ПСВ-IV 10. Плата согласования выходов ПСВ-I 5 предназначена для исключения взаимовлияния модуля УМЗЧ-I 3 на работу модулей УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8. Плата согласования выходов ПСВ-II 6 предназначена для исключения взаимовлияния модуля УМЗЧ-II 4 на работу модулей УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8. Плата согласования выходов ПСВ-III 9 предназначена для исключения взаимовлияния модуля УМЗЧ-III 7 на работу модулей УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-IV 8. Плата согласования выходов ПСВ-IV 10 предназначена для исключения взаимовлияния модуля УМЗЧ-IV 8 на работу модулей УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7. Введение в схему ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, ПСВ-III 9, ПСВ-IV 10 позволяет стабилизировать работу УМЗЧ при параллельном включении. Включенные параллельно выходные сигналы с ПСВ-I 5, ПСВ-II 6, ПСВ-III 9, ПСВ-IV 10 поступают на нагрузку.
Усиление сигнала происходит за счет суммирования выходной мощности УМЗЧ-I 3, УМЗЧ-II 4, УМЗЧ-III 7, УМЗЧ-IV 8.
Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает увеличение уровня выходной мощности звуковой частоты (более 200 Вт) при использовании низкоомной нагрузки (до 1 Ом), улучшение качества звукового сигнала, а также увеличение полосы пропускания звуковой частоты за счет параллельного подключения УМЗЧ в количестве два и более.