Усилитель с коррекцией искажений инвертирующего выходного каскада
AMPLIFIER WITH CORRECTION OF DISTORTION OF THE INVERTING OUTPUT STAGE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к электронным усилителям и может найти применение в высококачественной аудиоаппаратуре, в том числе в усилителях мощности звуковой частоты (УМЗЧ), предварительных, телефонных и т.п.
По самой распространенной на сегодня топологии Лина реализовано, возможно, до 98% всех полупроводниковых усилителей (фиг. 1). Ее составляют охваченные общей отрицательной обратной связью 5 каскады входной 1, усиления напряжения 2 и выходной, повторитель напряжения 3 с местной отрицательной обратной связью 6 и нагрузкой 4 (Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. С. 56, 64, рис. 3.9). К недостатку данной топологии, негативно влияющему на качество звука, относят наличие вложенных контуров обратной связи (ОС) - контур местной ОС 6 вложен в контур общей ОС 5.
Известны усилители, свободные от отмеченного недостатка, называемые еще усилителями без общей обратной связи (фиг. 2), где ОС 7 охватывает только каскады 1 и 2, предшествующие выходному 3. Выведение последнего из-под общей ОС позитивно влияет на звук. Это подтверждает, например, признанный успех УМЗЧ по данной топологии фирмы DENSEN BEAT (Журнал "АудиоМагазин" №4/2006, с. 67).
Дальнейшим усовершенствованием усилителя без общей обратной связи явилось использование схем коррекции для улучшения характеристик его выходного каскада, которое в исходной схеме Лина (фиг. 1) обеспечивалось общей ОС. Известны схемы коррекции Хауксфорда (Журнал "Радиомир" №10/2011, с. 3) и другие (патент РФ на изобретение №2689817).
Менее распространена модификация схемы Лина, в которой в качестве выходного каскада вместо повторителя напряжения 3 (фиг. 1) используется усилитель 9, охваченный параллельной ОС по напряжению через резистор 10 (фиг. 3), с заменой усилителя напряжения 2 (фиг. 1) на усилитель тока 8 (фиг. 3). Пример УМЗЧ по данной топологии представлен на фигуре 4 (Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. С. 223, рис. 5.32). Входной каскад выполнен на транзисторах VT1,…,VT7. усиления тока - на VT8,…,VT11, а выходной, с резистором параллельной ОС R33, - на VT12,…, VT 19.
К достоинствам таких усилителей можно отнести способность их выходного каскада усиливать напряжение (в отличие от повторителя напряжения в исходной схеме Лина), что позволяет весьма просто реализовывать каскады входной 1 и усиления тока 8 (фиг. 3), выполняя их на интегральной микросхеме - операционном усилителе.
Вместе с тем, данной модификации присущ тот же недостаток, что и у исходной схемы Лина - наличие вложенных контуров ОС. Местная ОС у оконечного усилителя 9 через резистор обратной связи 10 (резистор R33 на фигуре 4) вложена в контур общей ОС 5 (фиг. 3). В этой связи и для модифицированной схемы Лина возможна эволюция развития и усовершенствования, аналогичная рассмотренной выше для исходной схемы.
А именно, отмеченный недостаток модифицированной схемы Лина (фиг. 3) может быть устранен тем же путем, как и в исходной схеме - выведением оконечного усилителя 9 из контура общей ОС 5. Полученную схему (фиг. 5) можно отнести к разновидности усилителей без общей обратной связи с оконечным усилителем с параллельной ОС по напряжению.
На фигуре 6 представлена общая структурная схема таких усилителей. Она двухкаскадная, состоит из предварительного усилителя 11 и оконечного усилителя 9, инвертирующий вход которого соединен со своим выходом через резистор 10. Источник напряжения входного сигнала 13 подключен к не инвертирующему входу предварительного усилителя 11 через резистор 12, который считаем (для удобства) включающим внутреннее сопротивление этого источника. Уточним, что предварительный усилитель 11 по виду выхода здесь является усилителем источником тока, то есть с выходным сопротивлением, которое можно считать бесконечным, и выходным сигналом в виде тока (Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. С. 10).
У усилителя на фигуре 6, как и у рассмотренного выше усилителя на фигуре 2, имеются те же недостатки, характерные для усилителей без общей обратной связи. Выведение из-под действия общей ОС выходного каскада (9 на фигуре 6 или 3 на фигуре 2) приводит к росту искажений и выходного сопротивления усилителя. А если еще учесть, что выходной каскад обычно наиболее нелинейный, по сравнению с предварительными, и желательно его низкое выходное сопротивление, например для лучшего согласования с акустическими системами, то улучшение характеристик выходного каскада видится актуальным для усилителей без общей ОС.
В качестве наиболее близкого к заявляемому изобретению аналога (прототипа) выбран рассмотренный выше усилитель без общей обратной связи с оконечным усилителем, охваченным параллельной ОС по напряжению (фиг. 6).
Проведенный выше анализ уровня техники показал существование технической проблемы улучшения (оптимизации) характеристик выходного каскада в усилителях без общей обратной связи, в том числе и у выбранного в качестве прототипа (с оконечным усилителем с параллельной ОС по напряжению).
При дальнейшем рассмотрении принято, что предварительный усилитель 11 и усилители, используемые в вариантах его исполнения в частных случаях, по виду входов всегда являются усилителями, управляемыми напряжением, то есть с сопротивлениями входов, которые можно считать бесконечно большими (Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. С. 10). Так же принято, что предварительный усилитель 11 и варианты его исполнения является неискажающими (их искажениями можно пренебречь, по сравнению с искажениями оконечного усилителя 9).
out
s
В идеальном случае, бесконечно большие коэффициент усиления и входное сопротивление инвертирующего входа оконечного усилителя 9, ток в этот вход  и напряжение на нем относительно общего провода  будут равны нулю (фиг. 6). Тогда выходное напряжение (на нагрузке 4) U будет прямо пропорционально напряжению источника входного сигналя 13 u:
10
где: R - сопротивление резистора обратной связи 10
O
I - ток сигнала с выхода предварительного усилителя 11;
S - крутизна преобразования напряжения в ток предварительного усилителя 11.
out
На практике  и  отличны от нуля, вследствие чего напряжение на выходе усилителя  отклоняется от U и составляет:
out
Сравнение выражений (1) и (3) показывает, что нелинейные по своей природе напряжение  и ток  можно считать основными возмущающими воздействиями, вызывающими отклонение выходного напряжения  от своего неискаженного значения U. Поэтому решение поставленной технической проблемы возможно путем устранения зависимости  от  и .
С данной целью автором применен принцип компенсации возмущения (Колесов Л.В. Основы автоматики. - 2-e изд., доп.и перераб. - М.: Колос, 1984. С. 13,…,15). Компенсацию рассматриваемых возмущений,  и , предлагается осуществлять с использованием самого предварительного усилителя 11, в качестве его дополнительной функции, и введенного резистора связи 14 (фиг. 7). Отметим, похожий подход уже был применен автором в патенте РФ на изобретение №2689817.
out
Тогда в идеальном случае ( и  равны нулю) напряжение на выходе U предлагаемого в качестве изобретения усилителя (фиг. 7) составит:
12
где: R - сопротивление резистора 12;
14
R - сопротивление введенного резистора связи 14.
В общем случае (величины  и  произвольны) выходное напряжение  в рассматриваемой схеме будет:
in
Примем, что входное сопротивление инвертирующего входа оконечного усилителя 9 чисто активное (без реактивной составляющей) - r. Тогда ток  составит:
С учетом (6) напряжение  будет зависеть уже только от одного возмущающего воздействия - , то есть:
С учетом (4) формулу (7) можно представить в виде:
Из полученного выражения видно, что для обеспечения искомой независимости выходного напряжения  от , то есть для обеспечения
должно выполняться равенство:
Отсюда сопротивление введенного резистора связи 14 должно быть:
На основании блок-схем прототипа (фиг. 6) и предлагаемого усилителя (фиг. 7), а, также, требования (11) к сопротивлению введенного резистора связи 14, перечислим существенные признаки заявляемого изобретения.
В усилителе без общей обратной связи (фиг. 6), содержащим предварительный усилитель 11, представляющий собой источник тока управляемый напряжением, инвертирующий вход которого соединен с общим проводом, а не инвертирующий вход подключен к резистору 12, другим своим выводом соединенным через источник напряжения входного сигнала 13 с общим проводом, выход предварительного усилителя 11 подключен к инвертирующему входу оконечного усилителя 9, имеющему активное входное сопротивление без реактивной составляющей, не инвертирующий вход оконечного усилителя 9 соединен с общим проводом, а его выход подключен к своему инвертирующему входу через резистор 10 и к общему проводу через нагрузку 4, предусмотрены следующие конструктивные отличия (фиг. 7):
между не инвертирующим входом предварительного усилителя 11 и его выходом введен резистор связи 14, с сопротивлением, равным уменьшенной на сопротивление резистора 12 дроби, в числителе которой уменьшенное на единицу произведение сопротивления резистора 12 на крутизну преобразования напряжения в ток предварительного усилителя 11, а в знаменателе - сумма обратного сопротивления резистора 10 и обратного входного сопротивления инвертирующего входа оконечного усилителя 9.
Указанные конструктивные отличия обеспечивают независимость выходного напряжения  предлагаемого усилителя от возмущающего воздействия , благодаря чему улучшаются характеристики его выходного каскада с реализацией следующих технических результатов:
out
- снижение искажений (повышение линейности) каскада (выходное напряжение  равно своему не искаженному значению U);
out
out
- снижение выходного сопротивления r каскада ( и, согласно (1), (2), не зависит от тока I через нагрузку 4. Поэтому );
- простота предложенного технического решения и незначительные аппаратурные затраты на него (требуется введение только одного резистора);
- незначительное усложнение исходного усилителя (прототипа) при реализации предложенного технического решения (в частности, такое ценится в High-End аудио, где предпочитается простота аудиотракта).
Возможны следующие три частных случая выполнения заявляемого изобретения.
1. В качестве предварительного усилителя 11, усилителя источника тока, используется усилитель источник напряжения 15 с подключенным к его выходу резистору преобразователю напряжение-ток 16 (фиг. 8). Такой, по виду выхода, усилитель 15 можно считать имеющим пренебрежимо малое выходное сопротивление и выходной сигнал в виде напряжения (Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. С. 10).
out
Тогда в идеальном случае ( и  равны нулю) для выходного напряжения U схемы на фигуре 8, по аналогии с выражением (4), можно записать:
где: K - коэффициент усиления по напряжению усилителя 15;
16
R - сопротивление резистора преобразователя напряжение-ток 16.
В общем случае (величина  произвольная), для выходного напряжения  рассматриваемой схемы, по аналогии с выражением (7), можно записать:
С учетом (12) формулу (13) можно представить в виде:
Для обеспечения искомой компенсации возмущающего воздействия  выражение в фигурных скобках в формуле (14) должно равняться нулю:
Отсюда получаем требование к сопротивлению резистора связи 14, необходимого для такой компенсации:
14
С учетом блок-схем на фигурах 7 и 8 и требования (16) к сопротивлению резистора связи R перечислим существенные признаки, описывающие первый частный случай выполнения заявляемого изобретения.
Предлагаемый усилитель (фиг. 7), в котором предварительный усилитель 11 исполнен в виде усилителя 15, представляющего собой источник напряжения управляемый напряжением, с подключенным к его выходу первым своим выводом введенным резистором преобразователем напряжение-ток 16, второй вывод которого служит выходом исполненного предварительного усилителя 11, а его инвертирующим и не инвертирующим входами служат, соответственно, инвертирующий и не инвертирующий входы усилителя 15, сопротивление резистора связи 14 равно, за вычетом сопротивления резистора 12, дроби, в числителе которой уменьшенное на единицу произведение коэффициента усиления напряжения усилителя 15 на отношение сопротивления резистора 12 к сопротивлению резистора 16, а в знаменателе - сумма обратного сопротивления резистора 10, обратного сопротивления резистора 16 и обратного входного сопротивления инвертирующего входа оконечного усилителя 9 (фиг. 8).
Дополнительный технический результат, обеспечиваемый в первом частном случае выполнения предлагаемого изобретения, состоит в расширении возможностей его аппаратурной реализации. А именно, для построения предварительного усилителя 11, наряду с усилителем источником тока, может так же использоваться и усилитель источник напряжения.
2. Предлагаемый усилитель в первом частном случае выполнения (фиг. 8), в котором усилитель 15 исполнен на операционном усилителе 17, источнике напряжения управляемом напряжением с дифференциальными входами, с введенным резистором 19 между своими выходом и инвертирующим входом, к которому подключен введенный резистор 18, другой вывод которого служит инвертирующим входом исполненного усилителя 15, а его выходом и не инвертирующим входом служат, соответственно, выход и не инвертирующий вход усилителя 17, отношение сопротивления резистора 19 к сопротивлению резистора 18 равно уменьшенному на единицу коэффициенту усиления напряжения исполненного усилителя 15 (фиг. 9).
В приведенном выше описании существенных признаков предлагаемого изобретения во втором частном случае его исполнения использована зависимость коэффициента усиления напряжения K операционного усилителя от сопротивлений резисторов обратной связи (18 и 19 на фигуре 9), известная из уровня техники:
или
18
19
где R и R - сопротивления резисторов 18 и 19 соответственно.
Дополнительный технический результат, обеспечиваемый во втором частном случае выполнения предлагаемого изобретения, состоит в упрощении его аппаратурной реализации. А именно, усилитель 15 может быть исполнен, в том числе, на широко распространенных микросхемах - операционных усилителях, то есть достаточно просто.
3. Благодаря применению во втором частном случае исполнения изобретения операционного усилителя 17 с дифференциальными входами (фиг. 9), в данном, третьем, частном случае возможно развить (уточнить) признак изобретения, характеризующий входной импеданс (сопротивление) инвертирующего входа оконечного усилителя 9. А именно, допустить, что наряду с активной составляющей, импеданс может также иметь еще и реактивную, то есть, полностью снять ограничение на его вид.
С указанной целью в схему на фигуре 9 введены резистор датчик тока 20 и резистор отрицательной ОС 21, как показано на фигуре 10. Уточним, что здесь (фиг. 10):  - напряжение на втором выводе резистора 16 (выходе предварительного усилителя), к которому подключен резистор 20,  - ток, втекающий в этот резистор, а  - напряжение на инвертирующем входе оконечного усилителя 9 относительно общего провода.
i
O
При математическом описании схемы на фигуре 10, будем исходить из выражений для напряжения u на входах и напряжения U на выходе операционного усилителя 17:
и
21
где R - сопротивление резистора 21.
Тогда с учетом (19) и (20) для выходного напряжения  рассматриваемой схемы можно записать:
20
где R - сопротивление резистора 20.
Преобразовав (21), получаем:
Из формулы (22) видно, что для обеспечения искомой независимости выходного напряжения  от возмущающих напряжений  и  второе и третье слагаемые формулы (в которые входят  и ) должны равняться нулю. Отсюда:
и
Из выражения (24) получаем требование к сопротивлению введенного резистора 21:
А из выражения (23) получаем требование к сопротивлению резистора 14:
Теперь, исходя из блок-схем на фигурах 9 и 10 и полученных требований (25) и (26) к сопротивлениям введенного резистора 21 и резистора 14, перечислим существенные признаки, описывающие третий частный случай выполнения заявляемого изобретения.
Предлагаемый усилитель во втором частном случае выполнения (фиг. 9), в котором инвертирующий вход оконечного усилителя 9 подключен ко второму выводу резистора 16 через введенный резистор 20 и к инвертирующему входу операционного усилителя 17 через введенный резистор 21, сопротивление которого равно произведению сопротивления резистора 19 на отношение сопротивления резистора 20 к сопротивлению резистора 16, а сопротивление резистора 14 равно, за вычетом сопротивления резистора 12, дроби, в числителе которой уменьшенное на единицу произведение сопротивления резистора 12 на сопротивление резистора 19 и на отношение суммы обратных сопротивлений резисторов 18, 19, 21 к сопротивлению резистора 16, а знаменателе - сумма обратных сопротивлений резисторов 10, 16 и 20 (фиг. 10).
Дополнительный технический результат, обеспечиваемый в третьем частном случае выполнения предлагаемого изобретения, состоит в снятии существенного ограничения по виду входного импеданса инвертирующего входа оконечного усилителя 9. Он может быть произвольным, а не только чисто активным (без реактивной составляющей), как в исходном усилителе (фиг. 7) и предыдущих частных случаях его исполнения (фиг. 8 и 9). Тем самым существенно расширяются и упрощаются возможности аппаратурной реализации оконечного усилителя 9 на практике.
Техническая сущность и принцип действия аналогов, прототипа и предложенного усилителя поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 - блок-схема типового УМЗЧ (топология Лина);
фиг. 2 - блок-схема усилителя без общей обратной связи;
фиг. 3 - блок-схема модифицированной схемы Лина с выходным каскадом с параллельной ОС по напряжению;
фиг. 4 - принципиальная схема УМЗЧ с выходным каскадом с параллельной ОС по напряжению (пример реализации модифицированной схемы Лина);
фиг. 5 - блок-схема усилителя без общей обратной связи с выходным каскадом с параллельной ОС по напряжению;
фиг. 6 - аналог, наиболее близкий к предложенному усилителю (прототип);
фиг. 7 - предложенный усилитель;
фиг. 8 - первый частный случай выполнения предложенного усилителя;
фиг. 9 - второй частный случай выполнения предложенного усилителя;
фиг. 10 - третий частный случай выполнения предложенного усилителя.
12
В качестве примера осуществления изобретения, рассмотрим второй частный случай его исполнения, как достаточно представительный. Для расчета сопротивления вводимого резистора связи 14 использовались следующие номиналы резисторов схемы на фигуре 9 (R указано с учетом внутреннего сопротивления источника напряжения входного сигнала 13, равного 10 ом):
14
Тогда, в соответствии с (17), K=5,13(3), а в соответствии с (16) сопротивление R=4,020 к. Записав, на основании (12), формулу для расчета коэффициента усиления по напряжению рассматриваемой схемой,
и подставив в нее приведенные выше исходные данные, получаем, что он равен ~15,4.
С использованием, в качестве оконечного усилителя 9 двухкаскадного (для повышения входного сопротивления) повторителя напряжения, автором был собран и успешно испытан макет описанного варианта усилителя, показавшего позитивные результаты.