ДВУХТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
TWO-STEP AMPLIFIER

Изобретение относится к области транзисторных усилителей электрических сигналов, в особенности к усилителям звуковой частоты с высокой верностью воспроизведения входного сигнала, и может быть использовано, например, для высококачественного воспроизведения звука.
Известны двухтактные усилители низкой частоты, содержащие транзисторный каскад предварительного усиления и выходной каскад на комплементарных транзисторах, в которых каскад предварительного усиления выполняет функцию усиления амплитуды сигнала до заданной, необходимой для обеспечения нужной выходной мощности на нагрузку с заданным сопротивлением (см. http://essonradio.narod.ru/amplifier.htm).
Недостатком этого технического решения являются нелинейные искажения, вносимые каскадом предварительного усиления, так как размах амплитуды сигнала на его коллекторе должен достигать почти полного напряжения питания каскада.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является усилитель с трансформатором (см. ). В этом устройстве усиление по напряжению происходит в трансформаторе, а транзисторные каскады обеспечивают усиление по току, почти не меняя амплитуды сигнала.
Недостаток этого технического решения обусловлен использованием биполярных транзисторов, которые требуют напряжения смещения на базы для установки тока покоя, снимаемого с резистивного делителя напряжения, подключенного к блоку питания выходных транзисторов. Пульсации напряжения, возникающие при работе усилителя, попадают через этот делитель в цепь баз транзисторов каскада предварительного усиления и через них в сигнал, что ухудшает качество воспроизведения звука.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание двухтактного усилителя низкой частоты, обеспечивающего высокую верность воспроизведения входного сигнала, пригодного для высококачественного воспроизведения звука.
Для решения этой технической задачи предлагается двухтактный усилитель, содержащий комплементарные биполярные NPN и PNP транзисторы, эмиттеры которых объединены и образуют выход усилителя, двухполярный источник питания, трансформатор, один конец первичной обмотки которого образует сигнальный вход усилителя, а другой конец и средняя точка источника питания соединены с общей шиной усилителя, комплементарные полевые N- и Р-канальные транзисторы с обеднением, исток N-канального транзистора соединен с базой NPN транзистора, исток Р-канального транзистора соединен с базой PNP транзистора, сток N-канального транзистора и коллектор NPN транзистора соединены с выходом положительного напряжения двухполярного источника питания, сток Р-канального транзистора и коллектор PNP транзистора соединены с выходом отрицательного напряжения двухполярного источника питания, транзисторы выходного каскада усилителя установлены на общем радиаторе.
Затворы комплементарных полевых N- и Р-канальных транзисторов с обеднением могут быть объединены и подключены к одному концу вторичной обмотки трансформатора, другой конец которой подключен к общей шине усилителя, при этом между базами транзисторов NPN и PNP может быть включен конденсатор или резистор. Истоки полевых N- и Р-канальных транзисторов могут быть подключены к базам NPN и PNP транзисторов через резисторы. В предлагаемый двухтактный усилитель низкой частоты могут быть введены операционный усилитель, конденсаторы и резисторы, затвор одного полевого транзистора подключен к одному концу вторичной обмотки трансформатора и одному выводу одного конденсатора, другой вывод которого подключен к затвору другого полевого транзистора и через один резистор подключен к точке соединения второго конденсатора и второго резистора, вторые концы которых соединены соответственно с общей шиной усилителя и выходом операционного усилителя, который через третий конденсатор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, который через третий резистор подключен к объединенным эмиттерам комплементарных NPN и PNP транзисторов, или в двухтактный усилитель низкой частоты могут быть введены операционный усилитель, конденсаторы и резисторы, трансформатор выполнен с двумя вторичными обмотками, одноименные концы которых подключены к затворам комплементарных полевых N- и Р-канальных транзисторов с обеднением, другие концы вторичных обмоток которого соединены соответственно с общей шиной двухтактного усилителя низкой частоты и точкой соединения одного резистора с одним конденсатором, другой вывод одного конденсатора соединен с общей шиной двухтактного усилителя низкой частоты, другой вывод одного резистора подключен к выходу операционного усилителя, который через второй конденсатор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, который подключен к объединенным эмиттерам комплементарных NPN и PNP транзисторов.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобной совокупностью существенных признаков при проведении поиска по научно-технической литературе и патентной документации заявителем не обнаружено. Совокупность существенных признаков заявляемого двухтактного усилителя не следует явным образом из изученного уровня техники, имеет существенные отличия от рассмотренных аналогов. Поэтому заявитель считает, что заявляемый двухтактный усилитель соответствует критерию «новизна» и имеет изобретательский уровень. Двухтактный усилитель может быть изготовлен на известном оборудовании с использованием современной элементной базы и использован в различных устройствах для высококачественного воспроизведения звука. Поэтому он соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены примеры выполнения принципиальной схемы предлагаемого двухтактного усилителя низкой частоты.
Основные технические особенности и преимущества предлагаемого технического решения описаны в представленных предпочтительных вариантах осуществления. Объем защиты изобретения не ограничивается описанным примером, а включает различные варианты исполнения в соответствии с концепцией.
На фиг.1 показана схема двухтактного усилителя низкой частоты, на фиг.2-6 - предлагаемая схема двухтактного усилителя низкой частоты с элементами, позволяющими дополнительно повысить качество звучания, надежность, стабильность работы и упростить наладку двухтактного усилителя низкой частоты при серийном выпуске.
На фигурах обозначены: соответственно комплементарные полевые канальные транзисторы Т1, Т2, комплементарные биполярные транзисторы Т3, Т4, комплементарные полевые канальные транзисторы Т5, Т6. Транзисторы Т1, Т2, Т3, Т4 установлены на общем радиаторе (не показан), конденсаторы С1-С3, резисторы R1-R3, трансформаторы Tr1, Tr2, операционный усилитель ОР1. Вход двухтактного усилителя обозначен U in, выход U out, полюса источника питания +U, -U, общая шина - знаком ⊥ заземления. Устройство работает следующим образом:
Входной сигнал (фиг.1) поступает на первичную обмотку трансформатора Tr1, соотношение обмоток которого обеспечивает усиление по напряжению входного сигнала, который прикладывается к затворам комплементарных полевых канальных транзисторов Т1 и Т2, образующих с комплементарными биполярными транзисторами Т3 и Т4 комплементарный истоково-эмиттерный повторитель. Установка полевых транзисторов Т1 и Т2 на один радиатор с биполярными транзисторами Т3 и ТА, имеющими отрицательный температурный коэффициент, обеспечивает термокомпенсацию, что позволяет исключить термостабилизирующие обратные связи и повысить качество звучания усилителя.
Включение резистора R1 (фиг.2) между базами транзисторов Т3 и Т4 обеспечивает регулировку тока покоя выходных транзисторов Т3 и Т4 для компенсации разброса их параметров, подбором соотношений резисторов R2, R3 и R4 (фиг.3) можно не только регулировать ток покоя транзисторов Т3 и Т4, но и выставлять при этом нулевое напряжение на выходе двухтактного усилителя низкой частоты при нулевом сигнале на его входе.
Включение конденсатора С1 (фиг.4) между базами транзисторов Т3 и Т4 поддерживает стабильную разницу напряжения между базами транзисторов Т3 и Т4, что обеспечивает улучшение микродинамики воспроизводимого звука.
Операционный усилитель ОР1 с конденсаторами С2, С3 и С4, резисторами R4-R6 (фиг.5) образует отрицательную обратную связь с выхода двухтактного усилителя низкой частоты на затвор полевого транзистора Т2, что обеспечивает автоматическую стабилизацию режима работы устройства при изменении параметров транзисторов. Отличие схемы, представленной на фиг.6, от схемы на фиг.5 состоит в подаче сигнала обратной связи с выхода операционного усилителя ОР1 через дополнительную вторичную обмотку трансформатора Tr2. Полевые транзисторы Т5, Т6 на входе предлагаемого усилителя обеспечивают увеличение его входного сопротивления.
Заявителем изготовлен и испытан предлагаемый двухтактный усилитель во всех модификациях, представленных на фигурах 1-6. Испытания двухтактного усилителя показали, что прибавка тока покоя от температуры составляет не более 20-25% от начального тока покоя. Отсутствие в предлагаемом двухтактном усилителе переходных конденсаторов делает звук усилителя практически неокрашенным, точно воспроизводящим входной сигнал.