УНИВЕРСАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Область техники
Полезная модель относится к звукоусилительной технике, в частности, к усилителям мощности сигналов звуковой частоты, выполненных по монолитной, дискретной или смешанной технологиям.
Цель полезной модели - расширение эксплуатационных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается повышением универсальности двухканального усилителя за счет введения в каждом его канале второго выхода, сигнал которого противофазен сигналу первого выхода, что позволит реализовать большее число вариантов подключения громкоговорительной нагрузки, в том числе схему подключения четырех громкоговорителей к попарно объединенным выходам каналов, позволяющую декодировать комплексные сигналы с удвоенной мощностью, для чего на входе каждого из каналов установлен фазоинвертор, вход которого образует вход канала, к неинвертирующему выходу фазоинвертора подключен вход первого усилителя канала, а к инвертирующему - вход введенного второго усилителя канала, идентичного первому, причем выход первого усилителя каждого из каналов образует неинвертирующий выход канала, а выход второго усилителя образует инвертирующий выход канала, при этом усилитель мощности нагружен на четыре громкоговорителя, два из которых образуют пару и началами своих звуковых катушек подключены к параллельно соединенным неинвертитрующим выходам обоих каналов, два других громкоговорителя образуют другую пару и концами своих звуковых катушек подключены к параллельно соединенным инвертирующим выходам обоих каналов, другие выводы катушек в каждой паре громкоговорителей подключены один к общему проводу, другой - к свободному выводу громкоговорителя из другой пары.
Описание аналогов
Известно усилительное устройство, содержащее последовательно соединенные группы предварительных, промежуточных и оконечных каскадов, охваченные общей отрицательной обратной связью, сигнал с выхода которой посредством блока сравнения воздействует на входной сигнал. Устройство предназначено для усиления мощности сигналов звуковой частоты при воспроизведении аудиопрограмм, однако является одноканальным по входу и имеет только один выход. Этим объясняется то, что вариант подключения громкоговорительной нагрузки лишь один и весьма простой - один громкоговоритель или одна акустическая система [1]. Усилитель может быть нагружен на несколько включенных параллельно друг другу громкоговорителей, но при этом сигналы, воспроизводимые громкоговорителями, будут информационно тождественны. Суммарная выходная мощность усилителя будет распределяться между громкоговорителями пропорционально их комплексному сопротивлению, а в среднем по частотам мощность будет распределяться пропорционально минимальному значению активной составляющей полного входного сопротивления громкоговорителя.
Описание прототипа
Известно усилительное устройство, содержащее два идентичных канала усиления, каждый из которых образован первым усилителем канала, вход которого является входом канала, а выход - неинвертирующим выходом канала, при этом усилитель мощности нагружен на четыре громкоговорителя, которые попарно началами своих звуковых катушек подключены к выходам каналов, другие выводы катушек в каждой паре громкоговорителей подключены один к общему проводу, другой - к свободному выводу громкоговорителя из другой пары, [2, с. 209, рис. 7.5 - прототип].
Указанный способ подключения нагрузки, состоящей из четырех громкоговорителей, реализует так называемый декодер «Псевдоквадрафонии». При этом на входы двухканального устройства подаются два комплексных сигнала, в которых суммарно-разностным образом закодированы сигналы четырех каналов звукопередачи: левого, правого, центрального и окружения. Подключение указанным вариантом к двум выходам устройства четырех громкоговорителей позволяет разложить комплексные сигналы на четыре первоначальные составляющие.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, относятся ограниченные эксплуатационные возможности, обусловленные наличием только двух выходов, сигналы которых синфазных друг другу, что ограничивает число вариантов подключения громкоговорителей, а значит, не исчерпывают пользовательских потребностей при современном разнообразии комплектаций нагрузок звуковоспроизводящих профессиональных и бытовых систем.
Сущность полезной модели
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в расширении эксплуатационных возможностей устройства.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении полезной модели технического результата, который заключается в повышении универсальности двухканального усилителя за счет введения в каждом его канале второго выхода, сигнал которого противофазен сигналу первого выхода, что позволит реализовать большее число вариантов подключения громкоговорительной нагрузки, в том числе схему подключения четырех громкоговорителей к попарно объединенным выходам каналов, позволяющую декодировать комплексные сигналы с удвоенной мощностью.
Указанный технический результат достигается тем, что на входе каждого из каналов установлен фазоинвертор, вход которого образует вход канала, к неинвертирующему выходу фазоинвертора подключен вход первого усилителя канала, а к инвертирующему - вход введенного второго усилителя канала, идентичного первому, причем выход первого усилителя каждого из каналов образует неинвертирующий выход канала, а выход второго усилителя образует инвертирующий выход канала, при этом усилитель мощности нагружен на четыре громкоговорителя, два из которых образуют пару и началами своих звуковых катушек подключены к параллельно соединенным неинвертитрующим выходам обоих каналов, два других громкоговорителя образуют другую пару и концами своих звуковых катушек подключены к параллельно соединенным инвертирующим выходам обоих каналов, другие выводы катушек в каждой паре громкоговорителей подключены один к общему проводу, другой - к свободному выводу громкоговорителя из другой пары.
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 представлена структурная схема усилителя с подключением нагрузки по варианту, реализующему двухканальное усиление при подключении к выходам каналов четырех громкоговорителей по схеме декодера «Псевдоквадрафонии» с объединением выходов каналов. На схеме фигуре приняты следующие обозначения: 1 - первый канал усиления; 2 - вход первого канала усиления; 3 - фазоинвертор первого канала усиления; 4 - первый усилитель первого канала усиления; 5 - второй усилитель первого канала усиления; 6 - неинвертирующий выход первого канала усиления; 7 - инвертирующий выход первого канала усиления; 8 - второй канал усиления; 9 - вход второго канала усиления; 10 - фазоинвертор второго канала усиления; 11 - первый усилитель второго канала усиления; 12 - второй усилитель второго канала усиления; 13 - неинвертирующий выход второго канала усиления; 14 - инвертирующий выход второго канала усиления. На фигуре представлены четыре громкоговорителя с указанием начал и концов звуковых катушек, подключенных к выходам усилителя.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой устройства, представленной на фигуре.
Назначение усилителя мощности сигналов звуковой частоты (УМСЗЧ) ограничено задачей, однозначно заявленной в названии этого класса звукотехнических устройств. Расширить эксплуатационные возможности применения УМСЗЧ можно за счет разнообразия схем подключения внешних устройств и увеличения диапазона мощностей, подаваемых на громкоговорители или акустические системы.
Первоначально рассмотрим вопросы подключения к УМСЗЧ внешних устройств, что относится не только к нагрузке, но и к источнику сигнала. Практика создания функциональных устройств различного назначения широко использует двухвходовые операционные усилители (ОУ) в монолитном исполнении с применением интегральных технологий. Разработан отдельный класс ОУ - усилители дифференциальные. Наличие инвертирующего и неинвертирующего входов, в первую очередь, обеспечивает подключение цепей прямых и обратных связей разнообразных типов, чем многократно увеличивается номенклатура создаваемых устройств и определяется назначение создаваемого на ОУ функционального устройства.
В начальный период широкого внедрения ОУ в схемотехнику аналоговых электронных устройств упоминалось о разработке ОУ не только с двумя входами, но и с двумя выходами: инвертирующим и неинвертирующим. Однако, в дальнейшем эти устройства не получили распространения, и в новых поколениях интегральных схем они не появились, хотя универсальность таких ОУ значительно шире.
В схемотехнике современных УМСЗЧ можно проследить использование сходных с ОУ схемотехнических приемов. В том числе, это относится и к практике использования глубоких общих обратных связей. В подавляющем большинстве случаев в усилителях мощности используются отрицательные обратные связи последовательного типа, требующие наличие второго входа, противофазного основному входу (инвертирующему или неинвертируюшему). Наиболее близкие к ОУ схемотехнические решения можно найти в монолитных низкочастотных усилителях, а также в усилителях, выполненных по смешанной монолитно-дискретной технологии. В схемах УМСЗЧ, выполненных на дискретных элементах, вспомогательный вход чаще всего «спрятан», т.е. не является внешним выводом.
Распространим предложение использования двух выходов на схемотехнику УМСЗЧ и создадим устройство с двумя противофазными друг другу выходами: выходом, инвертирующим фазу и выходом, неинвертируюшим фазу входного сигнала. Схемотехнически это можно сделать самыми разнообразными способами. Наиболее простым и технологичным является прием использования двух совершенно одинаковых УМСЗЧ, подключаемых к инвертирующему и неинвертируюшему выходам фазоинвертора. Используемые усилители будут полностью симметричны: имеют совершенно одинаковые схемотехнические и конструктивные решения. Примером простого фазоинвертора может служить каскад на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Сигнал, снимаемый с коллектора, будет инвертирован по отношению к сигналу на базе, а сигнал, снимаемый с эмиттера, при этом не инвертируется.
В предлагаемой модели не уточняются такие важные схемотехнические вопросы построения УМСЗЧ как элементная база, наличие симметричного (сбалансированного) входа, развязка входов и выходов УМСЗЧ от внешних устройств, использование всевозможных схем зашит и индикаций режимов нормальной и аварийной работы, выбор классов режимов работы оконечных каскадов и т.д. и т.п. Обратимся только к универсальности УМСЗЧ, приобретаемой им вместе с еще одним выходом. При этом логично сразу обратиться к рассмотрению двухканального устройства-прототипа, универсальность которого расширяется за счет нескольких возможных режимов работы, определяемых числом входных сигналов.
На фигуре представлена структура предлагаемого устройства, обладающего универсальностью в отношении подключения нагрузки в двухканальном режиме усиления. Усилитель содержит два полностью идентичных друг другу канала: первый канал 1 и второй канал 8. Каждый канал имеет свой вход (2 или 9) фазоинвертор (3 или 10), первый усилитель канала (4 или 11), второй усилитель канала, идентичный первому (5 или 12) и два выхода: неинвертирующий выход (6 или 13) и инвертирующий (7 или 14).
Наличие двух выходов в каждом канале обусловливает расширение вариантов подключения нагрузки, так к каждому выходу канала можно подключить по одному громкоговорителю, а можно подключить один громкоговоритель между ними и реализовать мостовое включение. Возможно и сочетание подключения по одному громкоговорителю к выходам одного из каналов и одного громкоговорителя между выходами другого канала.
На фигуре отражен вариант подключения громкоговорителей, реализующий декодер «Псевдоквадрафонии» с удвоенной мощностью сигнала нагрузки при подаче на входы двух комплексных сигналов.
Среди разнообразных двухканальных звуковых систем известна система «Псевдоквадрафонии», с успехом используемая в практике организации звуковоспроизведения в автомобиле. Изначально, в первичном помещении на стороне передачи, где осуществляется запись, формируются четыре полноценных звуковых сигнала, соответствующих каналам левого, правого, центрального и окружающего планов. Далее для сопряжения с обычными двухканальными системами передачи (вещания, консервации и т.д.) информация кодируется (матрицируется) в два комплексных сигнала с помощью суммарно-разностного преобразователя.
На стороне приема для получения в помещении для прослушивания первоначальной четырехканальной записи применяется устройство, осуществляющее декодирование сигнала. Простейший декодер «Псевдоквадрафонии», предложенный Хаффлером [2], можно реализовать на выходе двухканального УМСЗЧ, так как это делает устройство-прототип. В случае использования предлагаемого УМСЗЧ можно получить удвоенную выходную мощность декодера (см. фигуру).
Из выше изложенного очевидно, что введение в каждом канале усиления второго выхода, сигнал которого противофазен сигналу первого выхода, позволяет существенно расширить эксплуатационные возможности устройства за счет открывшейся возможности применения большего количества вариантов подключения громкоговорителей, в том числе вариант подключения четырех громкоговорителей, реализующий схему декодера двух комплексных сигналов в четыре отдельных сигнала, причем с удвоенной мощностью в каждом громкоговорителе по сравнению с прототипом.
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 звуковой частоты, и в частности в усилителях низкой частоты в монолитном исполнении и в усилителях мощности в дискретном исполнении и выполненных по смешанной 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. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 504 с.; ил.
2. Шихатов А.И. Концертный зал на колесах. - М.: МДК Пресс, 2000. - 272 с.: ил. (рис. 7.5, с. 209 - прототип).