NO301098B1 - Effektforsterker - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en effektforsterker av den type som angis i den innledende del av vedføyde patentkrav 1. Mer spesielt er oppfinnelsen først og fremst ment benyttet for leveranse av høye utgangseffekter i frekvensområdet 0 til 100 kHz, dvs. effekter ubegrenset oppad, men ofte i området 50 til 2000 W, til å drive resistive og reaktive laster såsom høyt-talere, motorer og andre former for transdusere.

Beslektet teknikk er kjent fra US 3 808 545, US

4 611 180, US 5 179 352 og GB 1 584 941. Av disse angår spesielt US 5 179 352, men også delvis GB 1 584 941, en signal-korreksjonsteknikk som ligner på en teknikk som også benyttes i utførelser av herværende oppfinnelse. US 3 808 545 angår en effektforsterker som oppviser kretser med trekk som også benyttes i utførelsesformer av effektforsterkeren ifølge herværende oppfinnelse, med brokopling og jording av utgangsforster-kertrinnets utgangsklemme.

De vanligste effektforsterkerkonstruksjoner består av:

Et inngangstrinn.

Et spenningsforsterkertrinn.

Et strømforsterkertrinn.

Inngangstrinnet har gjerne til oppgave å endre signalenes arbeidspunkt fra rundt jord til rundt én eller begge forsy-ningsspenningene.

Spenningsforsterkertrinnet skal øke signalspenningen til et nivå som gir full utstyring av strømforsterkertrinnet.

Strømforsterkertrinnet har oftest en spenningsforsterkning på litt mindre enn 1, og en strømforsterkning som er til-strekkelig til å isolere lasten fra spenningsforsterkertrinnet .

Ved store effekter bør en bruke en høyere forsyningsspenning til spenningsforsterkertrinnet enn til strømforster-kertrinnet for å kunne ta mest mulig effekt ut av strømforsy-ningen til dette trinnet. (Spenningsforsterkertrinnet må kunne drive strømforsterkertrinnet i metning.) Dette setter restriksjoner på inngangstrinnet, der en enten må velge komponenter ut fra hva de tåler av spenning, istedenfor ut fra f. eks. støyegenskaper, eller en må øke kompleksiteten ved f.eks. å kople komponenter i serie.

Store krav stilles også til spenningsforsterkertrinnet. Transistorene i dette trinnet må tåle den fulle forsynings-spenningen, og da dette trinnet er kritisk hva angår lineæri-tet for forsterkeren, går det gjerne så mye strøm i det at disse transistorene blir varme og trenger kjøling lokalt. Dette kan gjøre produktet mer termisk utstabilt, og kan også ha en uheldig innvirkning på produktets levetid.

Foreliggende oppfinnelse er konsipert for å råde bot med de ovennevnte ulempene. Dette oppnås ved tilveiebringelse av en effektforsterker av den typen som angis i innledningen av krav 1, og som har de spesielle kjennetegn som angis i den karakteriserende del av krav 1. Ytterligere fordelaktige utførelsesformer av effektforsterkeren ifølge oppfinnelsen oppnås ved tilføyelse av de trekk som er å finne i de til-knyttede uselvstendige patentkravene.

Oppfinnelsen gir følgende fordeler sammenlignet med tidligere kjente effektforsterkere: Lav forsyningsspenning til alle trinn fram til strømfor-sterkertrinnet gjør at alle komponenter kan velges ut fra sine småsignalegenskaper, såsom signal/støy-forhold, båndbredde og temperaturstabilitet.

Lav effektomsetning i de samme komponenter fører til økt pålitelighet og termisk stabilitet.

Lavere forvrengning oppnås, da en ikke har transistorer med høyt spenningssving i trinnene fram til strømforsterker-trinnet . (Disse gir forvrengning på grunn av spenningsavhen-gige kapasitanser.)

Færre komponenter gir lavere feilhyppighet og bedre pålitelighet .

Man kan benytte en standardisert løsning: Alle trinn fram til strømforsterkertrinnet er de samme, uavhengig av utgangseffekten, hvilket letter lagerhold og service.

I de fleste tilfeller er det mulig å jorde den kjølte elektroden på alle eller halvparten av utgangstransistorene, hvilket forenkler monteringen av disse, minker feilrisikoen og bedrer kjøleeffekten.

Oppfinnelsen skal nå forklares mer detaljert ved bruk av utførelseseksempler, og med henvisning til de vedføyde teg-ningene , hvor Fig. 1 viser en første utførelse av en effektforsterker ifølge oppfinnelsen, i et forenklet kretsskjerna, og Fig. 2 viser en andre utførelse av en effektforsterker ifølge oppfinnelsen.

I fig. 1 er Al og A2 forsterkerkoblinger med spenning som inngangssignal og strøm som utgangssignal. Al kan i og for seg representere et komplett inngangstrinn, eller et siste forsterkertrinn i et mer omfattende inngangstrinn hvor bare denne siste forsterkeren Al vises i figuren. Inngangsspenningen uA gir altså som signal ut fra forsterkeren Al, signal-strømmen iin i posisjon 3 i kretsskjemaet. Rent prinsipielt kan man benytte kretsen uten korreksjonsforsterkeren A2, men dette forutsetter at sluttrinnet som består av A3, PAI og PA2 er "perfekt" i den forstand at spenningsfallet mellom posisjon 3 og posisjon 7 i kretsskjemaet er lik null. I det praktiske tilfelle vil det foreligge en spenningsforskjell mellom punk-tene 3 og 7, og forsterkeren A2 har til oppgave å korrigere for dette.

A3 er en forsterker med én gangs spenningsforsterkning, høy inngangsimpedans og lav utgangsimpedans. Den høye inn-gangsimpedansen i A3 bevirker at strømsignalet iin, eventuelt tilføyd et korreks jonsstrømsignal ikorr fra forsterker A2, flyter gjennom motstanden R (omkoplingsmotstand) hvor spenning V utvikles over denne motstanden.

PAI og PA2 er effektomsettere, gjerne bestående av tre eller flere effekttransistorer (eller rør), og disse trenger et inngangssignal på mellom 0,5 og 12 volt spiss-spenning for å gi maksimal utgangsstrøm, alt etter hvilken konfigurasjon og hva slag transistorer som benyttes.

PSI og PS2 er like spenningsforsyninger som flyter i forhold til signaljord.

Et spenningssignal Ui på inngangsklemmene 1, 2 til Al vil gi et strømsignal iin som setter opp et spenningssignal V over omkoplingsmotstanden R (med lastens ikke jordete terminal 6 som nullpunkt). Dette fører til en inngangsspenning på A3 og til en strøm i PAI eller PA2. Denne strømmen vil gå gjennom strømforsyningen PSI eller PS2 fram til lasten LOAD og gå gjennom denne. Denne strømmen vil sette opp en spenning over lasten som er lik spenningen V over motstanden R, bortsett fra inngangsspenningen til PAI og PA2. Da denne spenningen varie-rer ulineært med utgangsstrømmen, vil dette forårsake forvrengning. For å kompensere for dette, måles spenningssignalet på inngangen til A3 med korreksjonsforsterkeren A2. Korreksjonsforsterkeren A2 leverer et strømsignal ikorr til motstanden R, som setter opp en spenning over denne som er lik den inngangsspenningen A3 til enhver tid måtte ha (og som er lik spenningen inn på PAI og PA2). For å få til dette, må korreksjonsforsterkeren A2 ha en transkonduktans g som er lik den inverse verdi av resistansen til omkoplingsmotstanden R.

(Det bemerkes at transkonduktansen g defineres som forholdet mellom forsterkerens utgangsstrøm og dens inngangsspenning.) Det totale spenningssignalet over motstanden R blir da det som er forårsaket av inngangssignalet pluss inngangssignalet til A3. (Spenningen over motstanden er summen av strømmene gjennom den multiplisert med motstandens resistans.)

Dette fører til at den delen av spenningssignalet V over omkoplingsmotstanden R som er forårsaket av inngangssignalet, tilsvarer nøyaktig spenningen over lasten. Ulineæritetene i PAI og PA2 blir kansellert.

Det bemerkes spesielt at utgangsklemmen 7 fra sluttrinnet A3, PAI, PA2 er jordet. Dette betinger at spenningsforsynin-gen må være anordnet flytende. Dette er intet problem med nettdrevet utstyr, punktet 6 kan f.eks. representere et sen-terpunkt på sekundærsiden av en nett-transformator.

Et resultat av at sluttrinn-utgangen 7 er jordet, er at man oppnår lavere spenningssving i posisjon 3 i skjemaet. Dersom istedet posisjon 6, dvs lastens andre terminal, var jordet på konvensjonell måte, ville spenningssvinget i posisjon 3, altså på inngangen av sluttrinnet, være det samme som eller litt større enn spenningssvinget over lasten LOAD. Dette ville sette store krav til inngangstrinnet Al, da spenningssvinget over lasten kan bli over 100 volt ved store effekter. (I utgangspunktet dre ier dette seg om effektforsterkere for leveranse av høye effekter, som nevnt innled-ningsvis.) Et eksempel med en forsterker på 400 W levert til en 8 ohms last, gir en spiss-spenning på 80 volt. I det kon-vensjonelle tilfellet måtte altså da inngangstrinnet Al kunne levere +/- 80 volt, pluss marginer og metningsspenninger. Forsterkere hvor et slikt inngangstrinn benytter spenningsforsyninger på +/- 120 volt, er tidligere kjent og benyttet.

Dersom man istedet jorder punkt 7, slik som i herværende oppfinnelse, trengs kun standard +/- 12 volt eller +/- 15 volt strømforsyning til inngangstrinnet Al, uansett utgangseffekt. Dette forenkler kravene til komponentvalg i inngangsforsterke-ren Al, øker dennes pålitelighet på grunn av mindre varme, osv.

Sluttrinnets forsterker A3 er i praksis en spenningsstyrt strømforsterker. Alt etter hvordan den er konstruert, vil den trenge fra 2 til 10 volt i spenningsforskjell mellom posisjo-nene 3 og 7 i kretsskjemaet for å levere full strøm. Denne spenningen vil addere seg til spenningen i posisjon 7, og stille krav til spenningssvinget ut fra inngangstrinnet Al. Det er viktig at biasstrømmen inn i A3 er så liten at den ikke får noen betydning i forhold til iin. Feilkorreksjonen ved hjelp av korreksjonsforsterkeren A2 sørger for at spenningen i posisjon 3 blir lik spenningen i posisjon 7.

En ytterligere spesiell effekt ved forsterkerkoblingen er kombinasjonen av strømforsterkning og spenningsforsterkning i ett og samme sluttrinn, ved at spenning forsterkes via motstanden R, mens A3, PAI og PA2 besørger strømforsterkning. Prinsipielt gjøres altså inngangssignalet u± om til en strøm som igjen gjøres til spenning over en motstand som har lastens ikke jordete terminal som endepunkt/referanse. Prinsipielt jordes også utgangen på strømforsterkertrinnet, og strømmen i lasten styres via strømforsyningen. En viktig effekt som oppnås, er at strømforsterkertrinnet får et minimalt spenningssving på sin inngangsside.

Det henvises så til fig. 2. Fig. 2 er lik fig. 1, bortsett fra organiseringen av strømforsyningen, dvs. høyre side av skjemaet. Kretsløsningen som involverer Al, A2, A3, PAI og PA2, forblir uendret. Men i stedet for at lastens ikke jorde-de terminal 6 kobles til midtpunktet melom to like, flytende spenninger, kobles den til utgangen av en slaveforsterker A4, PA3, PA4. Slaveforsterkeren har til oppgave å utnytte hele strømforsyningens spenningspotensiale. Den er organisert som en meget enkel tilbakekoblet forsterker med spenningsforsterkertrinn A4 og effekttrinn PA3 og PA4, konfigurert omtrent som et speilbilde av sluttrinnet A3, PAI, PA2. Slaveforsterkerens inngang er referert til halve strømforsyningsspenningen ved hjelp av to like motstander, R3 og R4. Forsterkningen gis av resistansen til motstandene RI og R2, i henhold til formelen

A = 1 + R2/R1.

Inngangssignalet til slaveforsterkeren er strømforsyningens bevegelse i forhold til jord, målt via R3 og R4. Forsterkningen i slavetrinnet settes gjerne til litt over 2, da det er ønskelig at dette trinnet går i metning først ved store signalamplituder for å utnytte strømforsyningsspenningen best mulig. Spenningsklipping eller harmonisk forvrengning i slavetrinnet vil ikke gi økt forvrengning av utgangssignalet, da dette ligger utenfor referansen for hovedforsterkeren A3, PAI, PA2, nemlig sammenkoblingspunktet 6 mellom motstanden R og lasten LOAD, og punktet 7 som er knyttet til den inverte-rende inngangen til A2.

Claims (5)

1. Effektforsterker som omfatter strømforsyningskretser (PSI, PS2), et inngangstrinn (Al) og et utgangstrinn (A3, PAI, PA2) for leveranse av effekt til en last (LOAD) som er tilkop-let utgangstrinnets utgang med en nær last-terminal (7), og forøvrig har en fjern last-terminal (6), karakterisert ved at inngangstrinnet avsluttes med en transkonduktans-forster ker (Al) for omforming av en inngangs-signalspenning (uj til et strømsignal (iin) til utgangstrinnets signalinngang (3) , en omkoplingsmotstand (R) er koplet mellom utgangstrin nets signalinngang (3) og den fjerne last-terminalen (6), den nære last-terminalen (7) er signalmessig jordet, utgangstrinnet utgjøres av en strømforsterker (A3, PAI, PA2) for leveranse av et effekt-strømsignal til lasten (LOAD), idet omkoplingsmotstanden (R) omsetter strøm-signalet (iin) til et spenningssignal (V) som hovedsakelig utgjør lastens effekt-spenningssignal, idet utgangstrinnet og omkoplingsmotstanden således utgjør et kombinert strømforsterknings- og spenningsforsterkningstrinn, og at strømforsyningskretsen (PSI, PS2) for utgangstrinnet er anordnet flytende og mellom lastens fjerne terminal (6) og utgangstrinnet (A3, PAI, PA2) slik at effekt-strømsig-nalet går gjennom strømforsyningskretsen (Psi, PSI).

2. Effektforsterker ifølge krav 1, karakterisert ved at en andre transkonduktans- f orsterker (A2) er innrettet for å avføle signalspen-ningsforskjellen (Au) mellom utgangstrinnets utgang (7) og inngang (3), og for å levere et korreksjons-strømsignal (ikorr) proporsjonalt med nevnte signalspenningsforskjell, for adde-ring til strømsignalet (iin) for å bevirke at ef f ekt-spenningssignalet (V) over omkoplingsmotstanden (R) korrigeres for avvik fra lastens spenningssignal som skyldes spenningsforskjell mellom utgangstrinnets inngang (3) og utgang (7), idet den andre transkonduktans-forsterkerens overføringsfunksjon g ikorr/Au er slik at g <*> R = 1, hvor R er omkoplingsmotstandens resistans.

3. Effektforsterker ifølge krav 2, karakterisert ved at utgangstrinnet omfatter en strømforsterker (A3) med 1 gangs spenningsforsterk ning, høy inngangsimpedans og lav utgangsimpedans, og etter denne to parallellstilte effektomsettere (PAI, PA2) som mottar samme signal fra strømforsterkeren (A3) og er koplet i push/pull-konfigurasjon med sammenkoplede utganger som er utgangstrinnets utgang (7).

4. Effektforsterker ifølge krav 3, karakterisert ved at hver effektomsetter (PAI, PA2) har kraftforsyning fra respektive og like spenningsforsyninger (PSI, PS2) som begge har lastens fjerne terminal (6) som nullpunkt.

5. Effektforsterker ifølge krav 3, karakterisert ved at et utgangs-slavetrinn (A4, PA3, PA4) er koplet med sin utgang til lastens fjerne terminal (6) og har tilsvarende konfigurasjon som utgangstrinnet (A3, PAI, PA2), men hvor en første forsterker (A4) er en spenningsforsterker som benytter som inngangssignal forskjellen mellom et midt-potensial for en strømforsyning (PSI) for effektomsetterne (PAI - PA4), og potensialet i forbindelsespunktet mellom to motstander (RI, R2) som gir et valgbart spennings-delerforhold for spenningen over lasten (LOAD), og at strømforsyningen (PSI) for effektomsetterne (PAI - PA4) er koplet parallelt med seriekoplingen av de to effektomsetterne (PAI, PA2) i utgangstrinnet og i tillegg parallelt med seriekoplingen av de to effektomsetterne (PA3, PA4) i slavetrinnet, idet to like og seriekoplede motstander (R3, R4) innskutt parallelt med strømforsynin-gen (PSI) tilveiebringer midtpotensialet for strømforsy-ningen (PSi), som altså er flytende i forhold til jord.