ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА АВ
CLASS AV TWO-STEP AMPLIFIER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиоэлектронике, а точнее к линейным усилителям звуковых сигналов, которое может использоваться как в аппаратуре высокого класса и повышенной надежности, так и благодаря его относительной простоте, действенности и свойству самонастройки в большинстве транзисторных звучащих аппаратов, а также в устройствах контроля, измерения, автоматики и в специализированных микросхемах.
Уровень техники
Усилители класса АВ наиболее распространены среди линейных усилителей, поскольку, оставаясь наиболее простым видом усилителей, в идеале позволяют сочетать высокую экономичность усилителей класса В с неискажающим усилением усилителей класса А. Однако формирование необходимого для этого напряжения смещения транзисторов, поддерживающего плечи двухтактного каскада на грани открывания положительными и отрицательными полуволнами сигнала, было и остается основной проблемой построения таких усилителей, проблемой стабилизации их параметров. Объясняется это нестабильностью управляющих характеристик транзисторов, их зависимостью и от температуры, и от уровня сигнала, и от разброса или дрейфа параметров тех же транзисторов. Вследствие этого до сих пор не было сформулировано однозначного способа (правила, критерия, алгоритма) регулирования напряжения смещения, который позволял бы усилителю автоматически устанавливать для своих транзисторов оптимальное напряжение смещения. Сложность проблемы иллюстрируется даже названием статьи Грошева В.Я. «Методы обеспечения определенности и стабильности начального режима двухтактных усилителей на биполярных транзисторах», опубликованной в научно-теоретическом журнале «Радиотехника» №2, 1989 г. Речь в ней идет не о стабилизации, а только об обеспечении «определенности» режима.
Уровень современной техники усилителей класса АВ можно оценить по книге: Сухов Н.Е. Радиохобби. Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками. - СПб.: Наука и техника, 2012. В ней собраны наиболее интересные схемные решения усилителей мощности, выполненные российскими и зарубежными авторами на различной элементной базе, в том числе и на импортных элементах.
Среди решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, известны двухтактные усилители мощности, состоящие из основного мощного усилительного каскада и вспомогательного канала, который управляет режимом работы основного с регулируемой цепью смещения. Таковы двухтактный усилитель мощности (SU 652686, опубл. 15.03.1979, МПК: H03F 3/20), в котором вспомогательный каскад содержит широтно-импульсные преобразователи, усилитель мощности (SU 1119163 А, опубл. 15.10.1984, МПК: H03F 1/34), в который введен параллельный ограничитель сверху, и усилитель мощности (SU 1730714 А1, опубл. 30.04.1992, МПК: H03F 3/20), содержащий усилители-ограничители, сумматоры, дополнительные транзисторы и резисторы. Основная цель этих изобретений - снижение искажений и повышение КПД - решается разными средствами, но во всех случаях эти решения достаточно сложны, неочевидны, а элементы управления режимами усилителей сами нуждаются в настройке.
Существует масса технических решений, в которых решается задача стабилизации тока покоя усилителей за счет использования специальных обратных связей. Известен, в частности, бестрансформаторный двухтактный усилитель низкой частоты (SU 307487 А, опубл. 01.01.1971, МПК: H03F 3/26, H03F 1/34), охваченный цепью отрицательной обратной связи по напряжению, который увеличивает коэффициент нелинейных искажений за счет нелинейной безинерционной обратной связи по току транзисторов оконечного каскада, введенной для стабилизации начального тока усилителя.
Наиболее близким аналогом, по мнению автора, является усилитель, известный из документа SU 663073 А (опубл. 15.05.1979, МПК: H03F 1/34). В нем описывается бестрансформаторный транзисторный двухтактный усилитель класса АВ, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению, содержащий последовательно соединенные предварительные, а также предоконечный и оконечный каскады, выполненные по последовательно-параллельной схеме, при этом в коллекторную цепь транзистора последнего предварительного каскада включены последовательно промежуток коллектор-эмиттер первого дополнительного транзистора и резистор, к выводам которого подключены базы транзисторов предоконечного каскада, в каждую коллекторную цепь транзисторов оконечного каскада включена параллельная диодно-резистивная цепочка, к месту соединения коллекторов с диодно-резистивными цепочками оконечного каскада подключен через источник напряжения смещения переход база-эмиттер второго дополнительного транзистора, коллектор которого через параллельную RC-цепь подключен к соответствующей шине питания, а непосредственно - к базе первого дополнительного транзистора.
В этом усилителе есть все элементы, кроме отличительного, которые используются в формуле настоящего изобретения (см. чертеж SU 663073 А). Так, регулятор напряжения смещения реализован транзистором 9 и резистором 10, два измерителя токов плеч реализованы резисторами 13 и 14, суммирующее устройство образовано последовательным соединением этих резисторов, с которых снимается суммарное напряжение. Элементы 11÷18, которые непосредственного участия в усилении сигнала не принимают и служат только для стабилизации режима усилителя, можно выделить в модуль стабилизации.
Недостатком указанного усилителя является то, что он не обеспечивает снижения искажений в широком диапазоне токов сигнала. Объясняется это тем, что при достаточно сильных сигналах обратной связью устанавливается такое напряжение смещения, при котором начальный ток усилителя, т.е. ток усилителя при прохождении усиливаемого сигнала через ноль становится меньше тока покоя этого усилителя или даже равным нулю. При этом возникают искажения типа «ступенька».
Заявленное изобретение направлено на устранение недостатков известных решений.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является формирование такого напряжения смещения, которое поддерживает оконечные транзисторы на грани открывания или в состоянии слабого контролируемого открывания, то есть обеспечивает постоянство начального тока усилителя, т.е. тока при прохождении усиливаемого сигнала через ноль при любом меняющемся уровне сигнала. Обеспечение постоянства начального тока усилителя на уровне его тока покоя обеспечивает снижение искажений в широком диапазоне токов сигнала при сохранении высокой температурной стабильности и стабильности при возможном разбросе или дрейфе параметров транзисторов.
Указанный результат достигается в предлагаемом двухтактном усилителе класса АВ, который содержит регулятор напряжения смещения и модуль стабилизации с входящими в него двумя измерителями токов плеч и суммирующим устройством, где выход модуля стабилизации подключен к входу регулятора напряжения смещения, при этом для обеспечения постоянства начального тока при меняющемся уровне сигнала в усилитель введен детектор минимального значения суммы токов плеч, выход которого является выходом модуля стабилизации.
Известно, что стабилизировать что-то, в данном случае начальный ток усилителя, можно только путем его измерения, сравнения с эталонной величиной и автоматического регулирования. Для того чтобы выявить возможность измерения начального тока усилителя на фоне хаотически меняющегося тока сигнала автор изобретения предлагает рассмотреть изменения токов плеч двухтактного каскада и их суммы в предположении, что ток сигнала в нагрузке изменяется по простейшему синусоидальному закону:
н
m
i=I sin α,
где
н
i - мгновенное значение тока нагрузки,
m
I - его амплитуда,
α=Ωt - фазовый угол,
Ω - рабочая частота,
t - время.
Характер изменения токов в плечах двухтактного каскада показан на Фиг.1а, а суммы абсолютных значений токов - на Фиг.1б.
Ток нагрузки в двухтактном каскаде определяется разностью токов плеч или суммой абсолютных значений приращений токов плеч:
н
1
2
i=[Δi]+[Δi]
При малых токах сигнала работают оба плеча усилителя в линейном режиме класса А. Приращения токов плеч по абсолютной величине равны половине тока нагрузки
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,5</mn><msub><mi>i</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow>
и выражения для токов плеч будут иметь вид:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
кр
при 0≤α≤α
кр
Здесь и далее через α обозначен критический фазовый угол, при превышении которого усилитель переходит из режима класса А в режим класса В.
Если все токи нормировать по отношению к максимальному току нагрузки:
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
<mrow />
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
кр
и
, то
при 0≤α≤α
кр
При α=α ток второго плеча уменьшается до нуля, т.е.
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
кр
нн
Из этого определяем α=arcsin2I
В режиме класса В ток нагрузки определяется приращениями тока только одного плеча:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mi>α</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
при
<mrow><mi>α</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
При
характер изменения токов повторяется в обратном порядке, а при α>π меняется знак тока нагрузки и инициатива в его формировании переходит ко второму плечу.
Сумма токов плеч:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>I</mi><mrow><mi>н</mi><mi>н</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>α</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext> </mtext><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>0</mn><mo>≤</mo><mi>α</mi><mo>≤</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≤</mo><mi>α</mi><mo>≤</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
имеет постоянное минимальное значение, определяемое только начальным током усилителя:
1
2
мин
нн
(i+i)=2I
Вышеприведенные расчеты позволили автору настоящего изобретения сделать вывод о том, что для стабилизации режима усилителя класса АВ при любом желаемом начальном токе необходимо и достаточно стабилизировать минимальное значение суммы токов плеч, равное двукратному значению начального тока одного плеча. Данный принцип был использован при разработке настоящего изобретения.
Таким образом, вне зависимости от конкретного исполнения усилителя, будь то трансформаторный или бестрансформаторный усилитель с параллельным или последовательным включением плеч, можно назвать обязательные для стабилизации его режима элементы. Эти элементы изображены на обобщенной структурной схеме предлагаемого усилителя класса АВ (см. Фиг.2).
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показан характер изменения токов в усилителе класса АВ.
На Фиг.2 показана структурная схема двухтактного усилителя класса АВ.
Осуществление изобретения
Предлагаемый усилитель работает следующим образом.
Измерители токов 1 и 2 постоянно измеряют токи плеч двухтактного выходного каскада. Суммирующее устройство отслеживает сумму мгновенных значений токов плеч. Детектор минимальных значений суммы токов плеч определяет минимальное значение этой суммы, наступающее в режиме покоя усилителя или при прохождении усиливаемого сигнала через ноль.
Выходное напряжение детектора определяется только начальным током усилителя и ничем больше. Оно так регулирует напряжение смещения усилителя, чтобы начальный ток усилителя сохранялся постоянным при любых дестабилизирующих факторах и при любой амплитуде сигнала. Этим обеспечивается стабильность режима и минимизация искажений в любых реальных условиях.