Усилитель с коррекцией искажений выходного каскада
AMPLIFIER WITH DISTORTION CORRECTION OF OUTPUT CASCADE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к усилителям мощности звуковой частоты (УМЗЧ), и может найти применение в аудиоаппаратуре High-End класса, в том числе в усилителях других видов: предварительных, телефонных и т.п.
Известна типовая схема УМЗЧ на основе топологии Лина (фиг. 1), содержащая три каскада: входной - дифференциальный каскад на транзисторах Т1,…,Т3, усиления напряжения - на транзисторах Т4, Т5 и выходной - составной эмиттерный повторитель на транзисторах Т6,…,Т9. Это самая распространенная на сегодня топология, по которой, возможно, реализовано до 98% всех полупроводниковых усилителей (Данилов А.А. Прецизионные усилители низкой частоты. -М.: Горячая линия - Телеком, 2004. С. 56, 65, рис. 3.10).
К недостатку данной топологии, негативно влияющему на качество звука, относят наличие вложенных контуров обратной связи (ОС), что видно на фигуре 2, где представлена блок-схема этого усилителя. Выходным каскадом 3, питающим нагрузку 4, служит эмиттерный повторитель напряжения, усилитель со 100% последовательной отрицательной ОС по напряжению. Этот контур местной ОС 6 вложен в контур общей отрицательной обратной связи (ОООС) 5, охватывающей все каскады усилителя: входной 1, усиления напряжения 2 и выходной 3 (Данилов А. А. Прецизионные усилители низкой частоты. -М.: Горячая линия - Телеком, 2004. С. 63, 64, рис. 3.9).
Также известны УМЗЧ, свободные от отмеченного недостатка, называемые еще усилителями без общей обратной связи, где отрицательной обратной связью 7 охвачены только каскады 1 и 2, предшествующие выходному 3 (фиг. 3). Таким образом, УМЗЧ не содержит вложенных контуров ОС, что позитивно влияет на звук. Подтверждением тому служит, например, признанный успех усилителей по данной топологии фирмы DENSEN BEAT (Журнал "АудиоМагазин" №4/2006, с. 67).
Но если при данной топологии искажения предварительных каскадов 1 и 2 остаются низкими (они сами достаточно линейны и глубина ОС для них все та же), то вывод из-под действия ОООС 5 выходного каскада 3 приводит к росту его искажений и выходного сопротивления. А если еще учесть, что он обычно наиболее нелинейный и низкое выходное сопротивление желательно для лучшего согласования с акустическими системами, то улучшение характеристик выходного каскада видится актуальным.
Еще известен выходной каскад с коррекцией нелинейности Хауксфорда (фиг. 4), используемый для устранения отмеченного выше недостатка (Журнал "Радиомир" №10/2011, с. 3).
Корректор основан на принципе компенсации возмущения (Колесов Л.В. Основы автоматики. -2-e изд., доп. и перераб. -М.: Колос, 1984. С. 13,…, 15). В составной эмиттерный повторитель на двух комплементарных парах транзисторов VT3,…,VT6 введено устройство коррекции, состоящее из транзисторов VT1, VT2 и резисторов R1, R2, R3, R4. При увеличении напряжения между эмиттером транзистора VT3 (VT4) и выходом каскада, это напряжение ошибки (обозначено вертикальными стрелками) через делители на резисторах R2, R3 и R4 прикладывается в противофазе к переходу база-эмиттер транзистора VT1 (VT2), вызывая уменьшение тока его коллектора и, соответственно, уменьшение падения напряжения на резисторе R1. Вследствие этого напряжение на базе транзистора VT3 (VT4), а, значит, и на выходе каскада возрастает, компенсируя возникшую ошибку. Для обеспечения равенства компенсирующего напряжения вызвавшему его напряжению ошибки элементы цепи коррекции, резисторы R1, R2, R3 и R4, должны удовлетворять соотношениям, указанным на фигуре 4.
Корректор Хауксфорда является функционально законченным устройством, не использующим элементы схемы УМЗЧ. "Платой" за такую автономность служат усложнение его конструкции и аппаратурные затраты. А так как в High-End аудио, наоборот, позитивным для звука считают упрощение аудиотракта, то отмеченные обстоятельства можно отнести к недостаткам данного технического решения.
В качестве наиболее близкого к заявляемому изобретению аналога (прототипа) выбран усилитель без общей обратной связи, представленный на фигурах 3 и 5. На последней фигуре предварительный усилитель 12 с дифференциальными входами объединяет каскады 1 и 2, на резисторах 9 и 10 реализована цепь ОС 7, а источник напряжения входного сигнала 11 соединен с неинвертирующим входом предварительного усилителя 12 через резистор 8, который включает внутреннее сопротивление указанного источника.
В части выходного каскада 3 прототипа необходимо уточнить, что им может быть любой повторитель напряжения: эмиттерный, истоковый, однокаскадный, составной, однотактный, двухтактный, комплементарный, квазикомплементарный, по схеме Шиклая и т.п. А их существенным признаком является наличие у реализующего каскад усилителя соединения (внешнего или внутреннего) своего инвертирующего входа со своим выходом, обеспечивающего местную 100% последовательную ОС по напряжению, как показано на фигурах 2 и 3.
Кроме того, чтобы охватить все возможные варианты исполнения выходного каскада 3, в третьем и четвертом частных случаях выполнения заявляемого изобретения будет рассмотрен еще и другой, реже встречаемый на практике, вариант - усилителя напряжения (фиг. 6). Его существенный признак то, что последовательная ОС по напряжению составляет менее 100% благодаря соединению инвертирующего входа и выхода усилителя, реализующего каскад, через делитель на резисторах 13 и 14. УМЗЧ "Бриг-001-стерео" представляет пример применения такого каскада (Анисимов Н.В. Транзисторные радиоприемники, радиолы, электрофоны, магнитофоны: (Справочник). - 5-е изд., стер. - К.: Технiка, 1983. С. 115,…,120, рис. 41, 42).
Подчеркнем, что все возможные варианты исполнения выходного каскада 3 относятся к усилителям с последовательной ОС по напряжению и это является их общим объединяющим признаком (Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь. 1983. С. 45, рис. 3.7).
Проведенный выше анализ уровня техники показал существование технической проблемы улучшения (оптимизации) характеристик выходного каскада (повторителя или усилителя напряжения) в усилителях без общей обратной связи (фиг. 5).
Для ее решения автор предлагает использовать упомянутый выше принцип компенсации возмущения. В качестве возмущения достаточно ограничиться рассмотрением падения напряжения  в выходном каскаде 3 (между входом и выходом повторителя напряжения), поскольку его входным током и связанным с ним искажениями на практике можно пренебречь. Такое ограничение оправдано еще и тем, что по изложенным при рассмотрении прототипа причинам, напряжение  на выходе предварительного усилителя 12, создаваемое источником 11, можно считать неискаженным.
Для  можно записать (фиг. 5):
где:  - напряжение на выходе усилителя (на нагрузке 4).
То есть напряжение  искажается, отклоняясь от  и составляет
Если увеличить напряжение на выходе предварительного усилителя 12 на , т.е. чтобы суммарное напряжение  на его выходе составило
то произойдет компенсация рассматриваемого возмущения  и напряжение на выходе усилителя  совпадет с неискаженным  что показывает формула (2), принимающая в данном случае вид:
Для формирования компенсирующего приращения напряжения  на выходе предварительного усилителя 12 автор предлагает использовать сам этот усилитель, возложив на него дополнительную функцию решающего усилителя (сумматора-вычитателя). С этой целью введены резисторы 15 и 16, через которые подаются напряжения с суммирующего Р и вычитающего N входов на неинвертирующий и инвертирующий входы предварительного усилителя 12 соответственно (фиг. 7).
s
р
n
Предварительный усилитель с дифференциальными входами 12 можно считать идеальным операционным усилителем (ОУ), как имеющий, обычно, достаточно большое усиление. Такой ОУ является линейной системой, для которой применим принцип суперпозиции. Поэтому независимо друг от друга напряжение u источника входного сигнала 11, напряжение u на суммирующем входе Р и напряжение u на вычитающем входе N создают на выходе предварительного усилителя 12 напряжения  и  соответственно (фиг. 7):
s
p
n
s
р
n
где K, K и K - коэффициенты передачи напряжений u, u и u соответственно.
При подаче на входы Р и N напряжений  и  соединив их с входом и выходом повторителя напряжения 3 соответственно, т.е. реализовав топологию на фигуре 8, и при значениях
и
на выходе предварительного усилителя 12 в соответствии с (8) будет сформировано напряжение, требуемое формулой (3) для компенсации:
p
n
n
i
i
n
10
16
Найдем выражения для коэффициентов K и K "решающего усилителя" на фигуре 7. При рассмотрении коэффициента K напряжение u на дифференциальных входах идеального ОУ можно считать постоянным, u=const, и, поэтому, ток, создаваемый напряжением u, протекает только через резисторы R и R, что означает:
10
16
где R и R - сопротивления резисторов 10 и 16 соответственно.
Поэтому требование (10) обеспечивается при равенстве
р
Цепочка из резисторов 15, 8 и источника входного напряжения 11 обеспечивает передачу напряжения u с суммирующего входа Р на неинвертирующий вход предварительного усилителя 12 с коэффициентом
8
15
где: R и R - сопротивления резисторов 8 и 15 соответственно.
Обозначим через K отношение сопротивлений резисторов 15 и 8:
Тогда выражение (14) принимает вид:
Коэффициент передачи напряжения с неинвертирующего входа предварительного усилителя 12 на его выход составляет
9
где: R - сопротивление резистора 9;
16
RgIIR - сопротивление параллельно соединенных резисторов 9 и 16.
Отметим, что и далее символ II будет использоваться для обозначения сопротивления параллельно соединенных резисторов.
С учетом (13) выражение (17) принимает вид
p
Тогда, учитывая (16) и (18), коэффициент передачи K составит
p
Приравнивая полученное для K выражение единице, находим условие, при котором обеспечивается требование (9):
С учетом (15) условие (20) принимает вид:
p
n
Таким образом, при соблюдении требований (13) и (21) "решающий усилитель" на фигуре 7 будет иметь значения коэффициентов передачи K и K в соответствии с (9) и (10), то есть те, что обеспечивают компенсацию возмущения  в усилителе на фигуре 8, который и предлагается в качестве изобретения.
s
s
Чтобы полностью математички описать "решающий усилитель" на фигуре 7, найдем еще, с учетом (13) и (21), его коэффициент передачи K входного напряжения u.
i
Напряжение u с учетом (15), составляет
Тогда для напряжения  можно записать
или с учетом (20):
s
На основании выражений (5) и (24) коэффициент K составляет:
s
Отметим, что и для прототипа на фигуре 5 коэффициент K такой же:
s
s
Таким образом, возложение на предварительный усилитель 12 дополнительной функции решающего усилителя не влияет на его основную функцию усиления входного напряжения u - коэффициент передачи K при этом не изменяется, оставаясь равным K. Это ожидаемый результат использования в предлагаемом устройстве принципа суперпозиции.
s
р
n
Еще раз убедимся в верности полученных выше требований (9), (10) и (13), (21), соблюдение которых обеспечивает компенсацию возмущения . Теперь не будем опираться на принцип суперпозиции, позволяющий рассматривать реакцию усилителя на каждое из напряжений u, u и u по отдельности (независимо). Наоборот, будем исходить из их совместного (одновременного) действия в реальности при анализе предлагаемого усилителя на фигуре 8.
Приняв направления токов, указанные на фиг. 7, запишем:
или, с учетом (20),
При этом можно еще записать с учетом (15):
или
Приравнивая правые части выражений (28) и (30), имеем
Полученное соотношение, совпадающее с (3), означает, что предлагаемый усилитель, то есть выполненный по топологии на фигуре 8 с соблюдением требований (13) и (21), обеспечивает искомую компенсацию возмущения .
s
Отметим также, формула (31) дает то же самое, равное K, значение коэффициента K, что и ранее полученная другим способом формула (25).
На основании блок-схемы (топологии) предлагаемого усилителя на фигуре 8 и требований (13), (21), которым должны соответствовать сопротивления входящих в него резисторов, перечислим все существенные признаки заявляемого изобретения.
В усилителе без общей обратной связи (фиг. 5), состоящем из предварительного усилителя с дифференциальными входами 12, инвертирующий вход которого имеет соединения с выходом этого усилителя через резистор 10 и с общим проводом через резистор 9, а неинвертирующий вход соединен с первым выводом резистора 8, второй вывод которого соединен через источник напряжения входного сигнала 11 с общим проводом, и выходного каскада 3 в виде включенного повторителем напряжения усилителя, выход которого через нагрузку 4 подключен к общему проводу, а его неинвертирующий вход соединен с выходом предварительного усилителя 12, предусмотрены следующие конструктивные отличия (фиг. 8):
введены резистор 15, включенный между неинвертирующим входом предварительного усилителя 12 и его выходом, и резистор 16, включенный между инвертирующим входом предварительного усилителя 12 и выходом усилителя выходного каскада 3, при этом сопротивления резисторов 10 и 16 равны, а отношение сопротивления резистора 15 к сопротивлению резистора 8, уменьшенное на единицу, равно отношению сопротивления резистора 10 к сопротивлению резистора 9.
Указанные конструктивные отличия обеспечивают равенство напряжения  на выходе предложенного усилителя (фиг. 8) выходному напряжению  предварительного усилителя 12, благодаря чему улучшаются характеристики выходного каскада 3 и реализуются следующие технические результаты:
- снижаются искажения (повышается линейность) предложенного усилителя (так как  т.е. не искажено возмущением );
out
out
- снижается выходное сопротивление r предложенного усилителя (так как  поскольку  и не зависит от тока I через нагрузку 4);
- снижаются требования к выходному каскаду предложенного усилителя, поскольку его необходимые характеристики могут быть обеспечены компенсацией искажений (что означает, например, возможность применения менее затратного, чем в классе А, каскада в классе АВ);
- предложенное техническое решение может рассматриваться в качестве альтернативы усилителям по топологиям Лина и без общей обратной связи, как сохраняющее их достоинства и свободное от их недостатков;
- минимизируются аппаратурные затраты на реализацию предложенного технического решения (требуется введение только двух резисторов, тогда как, например, для корректора Хауксфорда необходимы два транзистора и восемь резисторов);
- минимально усложняется исходный усилитель (прототип) при реализации предложенного технического решения (это соответствует канонам High-End аудио, где предпочитается простота аудиотракта).
Возможны следующие четыре частных случая выполнения заявляемого изобретения.
1. Предлагаемый усилитель, отличающийся тем, что второй вывод резистора 8 соединен с общим проводом, а к неинвертирующему входу предварительного усилителя 12 подключен источник тока входного сигнала 15 (фиг. 9).
В данном случае соотношения (29) и (30) принимают вид:
s
где i - ток входного сигнала,
и
соответственно. С их учетом выражение (31) выглядит как:
s
15
Таким образом, на выходе предварительного усилителя 12 в первом частном случае также формируется напряжение  требуемое в соответствии с (3) для обеспечения компенсации. При этом коэффициентом преобразования тока i входного сигнала в напряжение  на выходе предварительного усилителя 12 выступает сопротивление R.
Дополнительный технический результат, реализуемый в первом частном случае выполнения предлагаемого усилителя, состоит в обеспечении возможности использования источником входного сигнала источника тока.
2. Предлагаемый усилитель, отличающийся тем, что второй вывод резистора 8 соединен с общим проводом, а к инвертирующему входу предварительного усилителя 12 подключен источник тока входного сигнала 15 (фиг. 10).
В данном случае соотношения (27), (28), (30) и (31) принимают вид:
и
соответственно.
s
10
Последнее выражение означает, что и во втором частном случае выполнения изобретения также обеспечивается компенсация возмущения , а коэффициент преобразования тока i входного сигнала в напряжение  на выходе предварительного усилителя 12 составляет - R.
Отрицательное значение данного коэффициента указывает на то, что усилитель является инвертирующим. В достижении такого свойства и состоит дополнительный технический результат во втором частном случае выполнения предлагаемого усилителя.
3. Предлагаемый усилитель или первый частный случай его выполнения или второй частный случай его выполнения, отличающийся тем, что усилитель выходного каскада 3 включен усилителем напряжения, его выход через введенный резистор 14 подключен к своему инвертирующему входу, соединенному с общим проводом через введенный резистор 13, а резистор 16 включен между инвертирующими входами усилителя выходного каскада 3 и предварительного усилителя 12 (фиг. 11).
R13
В третьем частном случае, как и во всех рассмотренных выше случаях, на выходе предварительного усилителя 12 формируется напряжение  в соответствии с (3), где возмущением  будет являться напряжение между входами (неинвертирующим и инвертирующим) усилителя выходного каскада 3. Поэтому напряжения U на резисторе 13 и  на выходе усилителя составляют (фиг. 6 и 11)
и
u
14
13
13
где: K=(R+R)/ R - коэффициент усиления напряжения выходным каскадом 3;
13
14
R и R - сопротивления резисторов 13 и 14 соответственно.
Выражение (40) показывает, что выходное напряжение усилителя  не искажено возмущением , т.е. компенсация последнего обеспечена. При этом предполагается, что инвертирующий вход усилителя выходного каскада 3 высокоомный и не искажает напряжение, формируемое делителем на резисторах 13 и 14.
В третьем частном случае выполнения предлагаемого усилителя реализуются следующие дополнительные технические результаты:
- снижаются требования к предварительному усилителю 12 по развиваемому им максимальному выходному напряжению (в его качестве могут применяться, например, интегральные ОУ, чьи такие возможности обычно в 2…3 раза меньше, чем необходимо для бытовых УМЗЧ);
- обеспечивается универсальность предложенного технического решения, в целом (т.е. с учетом данного частного случая) оно может быть реализовано с любым из выходных каскадов, как с повторителем, так и усилителем напряжения.
4. Третий частный случай выполнения предлагаемого усилителя, отличающийся тем, что введен резистор 17, первый вывод которого соединен с выходом усилителя выходного каскада 3, а второй вывод соединен с общим проводом через введенный резистор 18, резистор 16 включен между вторым выводом резистора 17 и инвертирующим входом предварительного усилителя 12, а отношение сопротивления резистора 17 к сопротивлению резистора 18 равно отношению сопротивления резистора 14 к сопротивлению резистора 13 (фиг. 12).
В данном частном случае снято требование высокоомности инвертирующего входа усилителя выходного каскада 3 и, поэтому (фиг. 13), существует разность  напряжений, формируемых имеющимся (в точке соединения резисторов 13 и 14) и введенным "эталонным" (в точке соединения резисторов 17 и 18) делителями. Сумма напряжений  и  является возмущающим воздействием, которое учитывается в выходном напряжении предварительного усилителя 12 (фиг. 13):
R18
Поэтому напряжения U на резисторе 18 и  на выходе усилителя составляют (фиг. 13)
и
Выражение (43) показывает, что выходное напряжение усилителя  не искажено возмущениями  и  т.е. обеспечена их компенсация.
Дополнительный технический результат, реализуются в четвертом частном случае выполнения предлагаемого усилителя, состоит в снижении требования по наличию высокого входного сопротивления инвертирующего входа усилителя выходного каскада 3.
Техническая сущность и принцип действия аналогов, прототипа и предложенного усилителя поясняются чертежами, на которых:
фиг. 1 - типовая схема УМЗЧ (топология Лина);
фиг. 2 - блок-схема типового УМЗЧ, иллюстрирующая использование общей и местной ОС;
фиг. 3 - блок-схема усилителя без общей обратной связи;
фиг. 4 - выходной каскад с коррекцией нелинейности Хауксфорда;
фиг. 5 - аналог, наиболее близкий к предложенному усилителю (прототип);
фиг. 6 - вариант выходного каскада прототипа в виде усилителя напряжения;
фиг. 7 - предварительный усилитель прототипа, реализующий дополнительную функцию решающего усилителя;
фиг. 8 - предложенный усилитель;
фиг. 9 - первый частный случай выполнения предложенного усилителя (с подачей входного сигнала от источника тока);
фиг. 10 - второй частный случай выполнения предложенного усилителя (как инвертирующего);
фиг. 11 - третий частный случай выполнения предложенного усилителя (с выходным каскадом в виде усилителя напряжения);
фиг. 12 - четвертый частный случай выполнения предложенного усилителя (с дополнительным делителем выходного напряжения);
фиг. 13 - блок-схема выходного каскада в четвертом частном случае выполнения предложенного усилителя.
Пример осуществления предложенного усилителя приведем исходя из прототипа на фигуре 5, в котором используются типовые для него величины резисторов
s
обеспечивающие, в соответствии с (26), коэффициент передачи (усиления) K обычный для бытовых УМЗЧ
Тогда для осуществления изобретения достаточно в соответствии фигурой 8 ввести в прототип два резистора, сопротивления которых удовлетворяют требованиям (13) и (21):
15
16
При анализе "решающего усилителя" на фигуре 7 предполагалось, что на его входы Р и N сигналы подаются от источников напряжения. Это оправданное допущение, поскольку сопротивления резисторов R и R могут составлять десятки килоом, а выходные сопротивления предварительного усилителя 12 (благодаря ОС через резистор 10) и выходного каскада 3 - менее килоома и менее ома соответственно.
Сделанный выше вывод об оправданности основных допущений остается справедливым во всех случаях реализации предлагаемого усилителя, что делает справедливым и теоретически обоснованный вывод о достижимости заявленных технических результатов также во всех этих случаях.