УСИЛИТЕЛЬ С КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Область техники
Полезная модель относится к звукоусилительной технике и предназначена для использования в усилителях сигналов звуковых частот, и в частности в операционных усилителях и усилителях низкой частоты в интегральном исполнении, в усилителях мощности звуковых частот в дискретном исполнении и выполненных по смешанной дискретно-интегральной технологии.
Целью полезной модели является уменьшение нелинейных искажений выходного сигнала усилителя в установившемся и переходном режимах без снижения величины коэффициента передачи усилителя.
Поставленная цель достигается тем, в схему усилителя с петлей общей отрицательной обратной связи введены петли местной отрицательной обратной связи и общей положительной обратной связи, имеющие взаимно компенсирующие друг друга величины петлевых коэффициентов передачи.
Описание аналогов
Обратные связи (ОС) различных видов широко используются в современных усилителях звуковых частот для реализации высоких требований к стабилизации усиления и исходного режима, а также для желаемого влияния на параметры и качественные показатели.
Наиболее широкое применение получила отрицательная обратная связь (ООС). Положительная обратная связь (ПОС) в усилителях используется гораздо реже. Примерами использования комбинированной обратной связи (КОС) могут служить интегральные усилители низких частот отдельных серий, в которых помимо внешней цепи ООС используется внешняя цепь ПОС (т.н. цепь «вольтодобавки»), для которой предусмотрены специальные выводы. Подобный прием используется и в кинотеатральных усилителях для уменьшения нагрузки предоконечного каскада, управляющего двухтактным оконечным каскадом с последовательным питанием [1]. Применение ПОС в таких устройствах направлено на увеличение значений коэффициентов передачи отдельных каскадов усилителя.
Известны примеры использования в усилительных устройствах КОС для уменьшения нелинейных искажений [2]. Однако для влияния на искажения в переходном режиме предлагается использовать частотно-зависимую ООС.
Описание прототипа
Наиболее близким к заявленному решению является усилитель, канал прямого усиления которого охвачен цепью общей ООС [3, с.182 - прототип]. Усилитель содержит блок суммирования и последовательно соединенные между собой входной каскад, группу промежуточных каскадов и группу выходных каскадов, составляющие канал прямого усиления, между выходом которого и инвертирующим входом блока суммирования подключена цепь обратной связи, образующая с каналом прямого усиления петлю общей отрицательной обратной связи.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, можно отнести следующее.
Принято считать, что увеличение глубины ООС (величины петлевого коэффициента передачи) приводит к пропорциональному увеличению стабильности усиления и исходного режима, к расширению рабочего диапазона частот, к снижению нелинейных искажений, наиболее ощутимых в выходных каскадах. Однако достигается это за счет существенного уменьшения величины коэффициента передачи усилителя. К тому же, применение глубоких ООС требует жесткой коррекции частотной характеристики усилителя, что в свою очередь предъявляет повышенные требования к перегрузочной способности входного каскада, т.е. к его порогу перевозбуждения.
Обусловлено это тем, что в режиме большого быстроизменяющегося сигнала (в переходном режиме) вследствие инерционности петли ОС, сигнал на выходе цепи ОС появляется с запаздыванием. Это означает, что в переходном режиме весь входной сигнал усилителя поступает на входной каскад, вынуждая его работать с существенным превышением уровня сигнала по отношению к установившемуся режиму.
Неадекватность перегрузочной способности входного каскада сопряжена с появлением в переходном режиме нелинейных искажений, ограничивающих скорость нарастания выходного сигнала усилителя и называемых динамическими искажениями.
Уменьшения динамических искажений можно достичь увеличением перегрузочной способности входного каскада, и в частности повышением значения напряжения питания всего усилителя или только входного каскада. Однако это усложнит схемотехническое решение усилителя и снизит его КПД, что экономически не выгодно ни по себестоимости устройства, ни по затратам на его эксплуатацию. Другой подход предложен в заявляемой полезной модели.
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в уменьшении нелинейных искажений выходного сигнала усилителя в переходном и установившемся режимах без снижения коэффициента передачи усилителя.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении полезной модели технического результата, который заключается в применении в схеме усилителя комбинации петель местной отрицательной обратной связи и общей положительной обратной связи, имеющих взаимно компенсирующие друг друга величины петлевых коэффициентов передачи.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известное устройство между выходом входного каскада и инвертирующим входом блока суммирования подключена цепь местной отрицательной обратной связи, а между выходом группы промежуточных каскадов и неинвертирующим входом блока суммирования подключена цепь общей положительной обратной связи.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна».
Перечень фигур чертежей
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемую полезную модель, где 1 - входной каскад; 2 - группа промежуточных каскадов; 3 - группа выходных каскадов; 4 - канал прямого усиления; 5 - цепь местной отрицательной обратной связи; 6 - цепь общей положительной обратной связи; 7 - цепь общей отрицательной обратной связи; 8 - блок суммирования.
На фигуре 2 представлены варианты схемотехнических решений входной части усилителя, где 1 - точка подключения цепи общей ПОС; 2 - точка подключения цепи общей ООС; 3 и 4 - резисторы, образующие цепь местной ООС.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фигура 1), где показана структурная схема усилителя с многопетлевой комбинированной ОС.
Канал прямого усиления (4) образуют последовательно соединенные между собой: входной каскад (1) с коэффициентом передачи  и величиной гармоники n-го порядка , группа промежуточных каскадов (2) с коэффициентом передачи  и величиной гармоники n-го порядка , и группа выходных каскадов (3) с коэффициентом передачи  и величиной гармоники n-го порядка .
Комбинированную обратную связь в усилитель вводят три цепи: цепь местной ООС (5) с коэффициентом передачи α; цепь общей ПОС (6) с коэффициентом передачи β; цепь общей ООС (7) с коэффициентом передачи γ. Цепи ОС подключены между выходами различных групп каскадов и входами блока суммирования (8).
Петлевые коэффициенты передачи указанных ОС представляют собой произведения величин, характеризующих передачу по цепям канала прямого усиления и цепям ОС: ,  и .
Выражение для коэффициента передачи усилителя с КОС
При выполнении условия, что вновь образованные петли ОС имеют взаимно компенсирующие величины петлевых коэффициентов передачи
можно записать
Это означает, что усилитель с КОС эквивалентен усилителю с однопетлевой общей ООС бесконечно большой глубины и его коэффициент передачи больше, чем у прототипа
В установившемся режиме выражение для величины n-ой гармоники на выходе усилителя с КОС имеет вид
При выполнении условия (2) выражение (5) упрощается
Выражение для величины n-ой гармоники на выходе усилителя-прототипа можно записать
В установившемся режиме наиболее существенны нелинейные искажения в группе выходных каскадов, работающих с сигналами большого уровня и подчас в нелинейном режиме. Поэтому целесообразно сравнить части выражений (6) и (7), относящиеся к этой группе каскадов
,
Очевидно, что в усилителе с КОС нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью выходных каскадов, полностью отсутствуют. Причем это обеспечивается без увеличения глубины общей ООС, а значит без дополнительного снижения величины коэффициента передачи усилителя.
Для пояснения процесса снижения динамических искажений следует обратиться к временному представлению действия ОС. Петли ОС должны иметь различную инерционность. Быстродействие местной ООС, охватывающей широкополосный входной каскад, должно значительно превышать быстродействие двух других ОС, охватывающих, в том числе и группу промежуточных каскадов, где осуществляется частотная коррекция канала прямого усиления. Общие ПОС и ООС в действие успевают вступить уже в установившемся режиме, когда скорости изменения сигнала незначительны, поэтому качество переходных процессов, имеющих высокие скорости изменения сигнала, определяется высоким быстродействием входного каскада, которое, к тому же, дополнительно увеличено за счет введения цепи местной ООС. Входной каскад быстрее выходит из области перевозбуждения, что приводит к снижению динамических искажений.
На схемах (фигура 2) представлены три варианта входной части усилителя: цепь общей ПОС подключается к точке 1; цепь общей ООС - к точке 2; цепь местной ООС образуют резисторы 3 и 4.
Из выше изложенного, очевидно, что введение в усилитель комбинации петель местной ООС и общей ПОС, имеющих взаимно компенсирующие величины петлевых коэффициентов передачи, позволяет уменьшить нелинейные искажения как в установившемся, так и в переходном режимах без снижения величины коэффициента передачи усилителя.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующих условий:
- устройство, воплощающие заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для использования в усилителях сигналов звуковых частот, и в частности в операционных усилителях и усилителях низкой частоты в интегральном исполнении, в усилителях мощности звуковых частот в дискретном исполнении и выполненных по смешанной дискретно-интегральной технологии;
- для заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Федосеева Е.О. Усилительные устройства киноустановок. - М.: Искусство, 1979. - 255 с., ил. (с.181, 182).
2. Получение чистого звучания с помощью положительной обратной связи. - Radio och tel., №4, 1982. - с.60-65 (шв.).
3. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 504 с., ил. (с.182 - прототип).