УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Заявляемое полезная модель относится к электронным схемам общего назначения, а именно к усилителям низких частот на электронных и полупроводниковых приборах, к лампово-полупроводниковым усилителям, и может найти широкое применение в радиотехнике и в электронике.
Электронные лампы обладают высокой линейностью, малым уровнем шумов, имеющим в основном «электронную» природу, в отличие от полупроводников, что обеспечивает отличное качество звука в случае применения электронных ламп в усилителях звуковой частоты высокого класса. В настоящее время в усилителях низкой частоты принято использовать следующие схемы включения электронных ламп: с общим катодом и общим анодом. Для обеспечения широкого частотного диапазона и уменьшения искажений применяют многокаскадные схемы, охваченные общей отрицательной обратной связью. Результатом этого становится, кроме улучшения линейности усилителя в целом, подмес на вход усилителя по цепи обратной связи сигнала с выхода усилителя со всеми образованными в процессе усиления искажениями, что приводит к ухудшению звучания таких усилителей.
Существенным недостатком электронных ламп является относительно высокое выходное сопротивление каскада. В связи с этим, для согласования выходного сопротивления лампы с низким сопротивлением нагрузки, например акустической системой, применяется выходной трансформатор. Имея значительную индуктивность, трансформатор не обладает равномерной амплитудно-частотной характеристикой во всем диапазоне частот работы усилителя. Кроме этого, характер его выходного сопротивления меняется с ростом частоты и из омического, на нижней границе диапазона (единицы герц), преобразуется в емкостно-индуктивный на верхней границе (десятки килогерц), что неизбежно сказывается на его взаимодействии с акустической системой или другой нагрузкой.
Класс АВ - это режим работы усилителей, применяющихся в аппаратуре с высокой точностью звука. В классе АВ могут работать как ламповые, так и транзисторные схемы.
Известен оконечный каскад усилителя мощности низкой частоты по патенту РФ на полезную модель №35492 от 26.09.2003г., опубликованному 10.01.2004г., который содержит последовательно соединенные драйвер, выходные транзисторы и трансформатор, причем драйвер выполнен в виде отдельной интегральной схемы, к дополнительному входу которой подсоединена схема установки рабочей точки выходных транзисторов, подключенных к соответствующим выходам драйвера по схеме с ограничением по максимальному току, а в качестве интегральной схемы используют микросхему маломощного усилителя МС 34129.
Общими признаками заявляемого усилителя мощности низкой частоты и аналога оконечного каскада усилителя мощности низкой частоты по патенту РФ на полезную модель №35492 являются: использование в качестве выходных транзисторов полевых транзисторов МОП-структуры и наличие отдельной схемы для определения рабочей точки выходного каскада.
Отличия данного аналога и заявляемого технического решения обусловлены особенностями конструкции, а именно: наличие выходного трансформатора и работы выходных транзисторов в качестве усилителя напряжения и тока, т.к. стоки транзисторов соединены с выходным трансформатором со средней точкой. Эта схема позволяет работать с низким однополярным напряжением питания, но обладает повышенным коэффициентом искажений. Кроме этого, представленная полезная модель № 35492 относится к трансляционным усилителям, где отсутствуют требования к высокому качеству звучания. Заявляемое техническое решение относится к аппаратуре высокой верности воспроизведения.
Недостатком данного аналога по патенту на полезную модель №35492 является наличие выходного трансформатора, ограничивающего частотный диапазон усилителя мощности, низкое напряжение питания, ограничивающее динамические возможности усилителя, и высокий коэффициент искажений, не допустимый в аппаратуре высококачественного звучания.
Известен ламповый усилитель низкой частоты (ПРОТОТИП) по патенту РФ на изобретение №2693287 от 12.03.2018г., опубликованному 02.07.2019г., который содержит предварительный каскад усиления, сигнал с которого предназначен для поступления через драйверный раскачивающий каскад для последующего усиления мощности в однотактном или двухтактном выходном каскаде, при этом все накальные цепи, а также анодные цепи указанных предварительного и драйверного каскадов подключены к общему источнику питания на базе маломощного трансформатора или импульсного блока питания, анодные цепи указанного выходного каскада для усиления мощности подключены через умножитель к питающей сети, а выходной каскад через выходной трансформатор связан с акустической системой. Между выходом драйверного каскада и выходным каскадом введен межкаскадный трансформатор для гальванической развязки по входу выходного каскада, соединенного с питающей сетью, а выходной трансформатор обеспечивает гальваническую развязку по выходу указанного выходного каскада.
Общими признаками заявляемого усилителя мощности низкой частоты и прототипа лампового усилителя низкой частоты по патенту РФ на изобретение №2693287 являются: применение электронных ламп в качестве усилительных элементов.
Отличия прототипа и заявляемого технического решения обусловлены особенностями конструкции, а именно: отсутствием гальванической связи драйверного каскада с питающей электросетью, а также отсутствием дорогостоящего выходного и межкаскадного трансформаторов. Кроме этого, учитывая, что выходной трансформатор должен иметь массогабаритные показатели, исходя из его выходной мощности, применение гибридной схемы в заявляемом техническом решении, позволяет обойтись обычным силовым трансформатором, имеющим практически те же массогабаритные показатели, но гораздо более низкую цену в производстве.
Недостатком прототипа по патенту РФ на изобретение №2693287 является, прежде всего, наличие двух трансформаторов: межкаскадного и выходного. Требования к таким изделиям в аппаратуре высокой верности звучания очень высоки, что существенно удорожает производство усилителей по схеме патента № 2693287. Кроме этого, гальваническая связь выходного и драйверного каскада с питающей сетью требует наличия разделительного трансформатора для проведения наладочных и ремонтных работ с таким усилителем, во избежание поражения электрическим током. Причем трансформаторы ограничивают частотный диапазон усилителя.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение частотного диапазона характерного для ламповых усилителей мощности и увеличение динамического диапазона транзисторных усилителей мощности с одновременным улучшением отношения сигнал/шум. Заявляемая полезная модель разработана для того, чтобы решить вышеуказанную проблему и повысить эффективность и бесперебойность работы усилителя низкой частоты.
Цель разработки заявляемого технического решения - расширение функциональных возможностей усилителя, в частности, желание совместить преимущество усилителей на электронных лампах и двухтактных усилителей на полупроводниках. Применение электронных ламп позволяет получить высокое усиление напряжения малым количеством каскадов (один) с наличием, в основном, в сигнале четных гармоник, что весьма положительно сказывается на звучании. А выходной каскад на полевых транзисторах МОП-структуры позволяет обойтись без характерного для ламповых выходных каскадов дорогостоящего выходного трансформатора. Кроме того, заявляемая схема обеспечивает практически недостижимую для чисто ламповых усилителей скорость нарастания выходного сигнала - не менее 40В/мкс и равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне от 1Гц до 100кГц без отрицательной обратной связи и инверсии входного сигнала.
Техническая задача настоящей полезной модели заключается в создании усилителя такой конструкции, которая бы была более удобна в эксплуатации и экономична с точки зрения потерь энергии.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности и надежности. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона с одновременным снижением коэффициента искажений усилителей без общей отрицательной обратной связи, а также в увеличении выходной мощности ламповых усилителей низкой частоты до сотен ватт без применения выходного трансформатора при постоянном выходном сопротивлении резистивного характера. Отличием заявляемого технического решения является включение первого каскада усилителя напряжения по схеме «с общей сеткой», что характерно для высокочастотной аппаратуры (например - входные каскады ламповых радиоприемников и ламповых телевизоров) и не встречается в усилителях низкой частоты. Это позволило получить минимальные нелинейные искажения, более высокое отношение сигнал/шум и более высокую частоту верхней границы диапазона усиления по сравнению с традиционными схемами низкочастотных усилителей на электронных лампах по схеме «с общим катодом».
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что усилитель мощности низкой частоты включает выходные транзисторы в виде полевых транзисторов МОП-структуры, а также отдельную схему для определения рабочей точки выходного каскада, причем дополнительно содержит усилитель напряжения на электронных лампах с динамической нагрузкой, а все усиление по напряжению происходит в одном не инвертирующем ламповом каскаде, включенном по схеме «с общей сеткой», имеющим динамическую нагрузку (источник стабильного тока) и гальванически связанным с ламповым катодным  повторителем,  также  имеющим  динамическую  нагрузку,  не охваченных общей обратной связью и связанных через разделительный конденсатор с усилителем тока на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором, работающим в классе АВ, представляющим из себя двухтактный истоковый повторитель с собственной схемой смещения, ограничения и термокомпенсации, при этом на затворы комплементарной пары подается не разделенный предварительным каскадом на положительный и отрицательный полупериоды полный усиленный по напряжению сигнал. Заявляемое техническое решение проиллюстрировано чертежами Фиг.1 - Фиг.3, где:
1 - Фиг.1 Усилитель напряжения, где:
1. Повторитель на операционном усилителе с регулировкой режима лампового каскада;
2. Ламповый каскад с «общей сеткой» и динамической нагрузкой;
3. Катодный повторитель с динамической нагрузкой.
2 - Фиг.2 Усилитель тока, где:
4. Схема установки рабочей точки, ограничения и термостабилизации выходных транзисторов;
3 - Фиг.3 Общая схема, где:
5. Усилитель напряжения;
6. Усилитель тока.
Заявляемое техническое решение позволяет получить высокие передаточные характеристики ламповых усилительных каскадов без применения отрицательной обратной связи, а выходной каскад при высокой линейности амплитудно-частотной характеристики обладает стабильным выходным сопротивлением резистивного рода во всем диапазоне рабочих частот усилителя.
Для достижения этих целей схемотехнически усилитель разделен на две части:
1. Усилитель напряжения на электронных лампах;
2. Усилитель тока с постоянным выходным сопротивлением на полевых транзисторах с изолированным затвором.
Усилитель напряжения усиливает входной звуковой сигнал амплитудой 0,25-1,0 В до необходимого уровня 25-75 В, в зависимости от применяемых ламп и анодного напряжения, а усилитель тока на истоковых повторителях обеспечивает выходной ток от единиц до десятков ампер указанной амплитуды для нормальной работы акустических систем или другой нагрузки.
Рассмотрим каждую часть подробней, для чего обратимся к блок-схеме Фиг.1. Первая часть - это усилитель напряжения на электронных лампах, который в данной схеме является усилителем постоянного тока. Все каскады выполнены с динамической нагрузкой, построенной на точно таких же электронных лампах, что и сами каскады усиления, и гальванической связью между каскадами. Причем, первый ламповый каскад выполнен с общей сеткой, а второй с общим анодом. Для согласования низкого входного сопротивления первого лампового каскада с высоким выходным сопротивлением источника сигнала применен повторитель на малошумящем операционном усилителе. Все необходимое усиление по напряжению обеспечивает первый ламповый каскад. Этим достигается максимальное отношение сигнал/шум. Включение первого каскада по схеме «с общей сеткой», что является новым решением в звуковой схемотехнике, позволило получить минимальные нелинейные искажения и более высокую частоту верхней границы диапазона усиления по сравнению с традиционными схемами низкочастотных усилителей по схеме «с общим катодом». Второй ламповый каскад, являясь катодным повторителем с динамической нагрузкой, обеспечивает необходимое усиление по току для возможности нормальной работы на входную емкость полевых транзисторов выходного каскада усилителя. Эта мера необходима для обеспечения требуемой скорости нарастания сигнала на затворах полевых транзисторов выходного каскада.
Такое схемное решение выбрано с целью увеличить частотный диапазон и снизить нелинейные искажения в нижней и верхней частях спектра, а также обеспечить равное время задержки для всех частотных составляющих усиливаемого сигнала. Кроме того, применение усилителя постоянного тока гарантирует максимально ровную амплитудно-частотную характеристику в широком диапазоне частот от 0 Гц до 100 кГц.
Предлагаемая схема усилителя напряжения является не инвертирующей, то есть нет поворота фазы входного сигнала на 180 градусов, что дополнительно снижает вносимые усилителем искажения во входной сигнал. Кроме этого, благодаря высокой устойчивости усилителя напряжения к самовозбуждению, несмотря на высокий коэффициент усиления по напряжению (Ку) около 100 (в зависимости от типа электронных ламп), не требуется введение отрицательной обратной связи. Отсутствие в усилителях отрицательной обратной связи является одним из характерных признаков аппаратуры высокого класса и очень приветствуется экспертами в области высококачественного звуковоспроизведения, так как положительно сказывается на «прозрачности» звучания.
Рассмотрим вторую часть подробней, для чего обратимся к блок-схеме Фиг.2. Вторая часть - это усилитель тока, выполненный на комплементарных полевых транзисторах с изолированным затвором (КМОП).
Схема разработана как «автономный» двухтактный истоковый повторитель, имеющий возможность работать с любым источником сигнала с гальванической развязкой, то есть к нему можно подключить и другой усилитель напряжения звукового или иного сигнала. Особенностью схемы являются встроенные стабилизаторы - для обеспечения начального необходимого смещения на затворах (схема работает в классе АВ), а также схема термостабилизации и ограничитель входного сигнала - для защиты затворов полевых транзисторов при больших амплитудах входного сигнала. Эта часть схемы также устойчива к самовозбуждению и не требует введения ООС. Выбор КМОП полевых транзисторов для выходного каскада не случаен: в них отсутствует эффект Эбертса-Молла, характерный для биполярных транзисторов, что позволяет получить высококачественное звучание с великолепной «микродинамикой» и «прозрачностью» без характерной «транзисторной» окраски звука. Входные конденсаторы каскада С1-С3 создают фильтр высоких частот с частотой среза вплоть до долей Герц, в зависимости от выбранной емкости конденсатора.
Примененное техническое решения позволяет создавать не только усилители мощности звуковой частоты, но и другие устройства, работающие в звуковом диапазоне частот: предварительные усилители, усилители-корректоры, усилители для головных телефонов и тому подобное.
Заявляемая полезная модель может быть реализована следующим образом, общее схемное решение показано на чертеже Фиг.3.
По сравнению с известными устройствами усилителей, заявляемая конструкция обладает универсальностью. Область применения заявляемой конструкции за счет компактности и простоты как изготовления, так и эксплуатации, значительно шире, чем у известных аналогов.
Возможность многократного воспроизведения заявляемой конструкции проистекает из способа ее промышленной комплектации, что позволяет воспроизводить заявляемое устройство усилителя низкой частоты в промышленных масштабах.
Подобное сочетание универсальности, достижения возможности многократного воспроизведения с относительной простотой изготовления в прототипе не достигнуто.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна» и «промышленная применимость».