RU2115224C1

RU2115224C1 - Audio-frequency power amplifier

Info

Publication number: RU2115224C1
Application number: RU95120161A
Authority: RU
Inventors: П.А. Сергеев
Original assignee: Сергеев Петр Алексеевич
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: amplifier has input stage 1 built around operational amplifier 2 with negative feedback circuit common for ac and DC currents in the form of voltage divider. Operational amplifier 2 is supplied with power through parametric regulators built around transistors 3 and 4. Voltage amplifying stage 22 uses balanced circuit arrangement with two transistors 23 and 24 connected into common-base circuit and is provided with circuit setting potential across these transistors which has two groups of parallel-connected diodes 26,27 and 28,29 integrated by resistor 30. Current amplifying unit 31 uses balanced circuit arrangement and has stages built around transistors 32-37 connected into common- collector circuit. Output stage of unit 31 has two series- connected resistors 38 and 39 connected to respective transistors 36 and 37. Unit 31 is also provided with temperature controller 43 using transistors 44 and 45 of different structure; power amplifier has negative feedback circuit common for DC and ac currents. EFFECT: reduced nonlinear distortions and improved reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно - к усилителям мощности звуковой частоты. The invention relates to radio engineering, and more specifically to audio power amplifiers.

Известны схемные решения с разгрузкой по току, в которых нагрузка непосредственно не связана с предварительными каскадами усиления напряжения (П. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике, М.: Мир, 1991, с. 215-218). В качестве предварительного каскада усиления в таких усилителях используется операционный усилитель, который связан с последующими каскадами усиления напряжения через токовые датчики (резисторы). Последующие каскады усиления напряжения выполняются на транзисторах, включенных с общим эмиттером. Такое включение транзисторов позволяет получить большое усиление по напряжению и согласовать низкоомные токовые датчики с последующими каскадами усиления тока. Known circuit solutions with current unloading, in which the load is not directly related to the preliminary stages of voltage amplification (P. Shkritek. Reference guide to sound circuitry, M .: Mir, 1991, S. 215-218). As a preliminary amplification stage in such amplifiers, an operational amplifier is used, which is connected to subsequent voltage amplification stages through current sensors (resistors). Subsequent stages of voltage amplification are performed on transistors connected with a common emitter. This inclusion of transistors allows you to get a large voltage gain and to match low-resistance current sensors with subsequent stages of current amplification.

Однако при использовании подобных каскадов на высоких частотах звукового диапазона на быстродействие усилителя оказывает влияние емкость перехода база-коллектор, что, в свою очередь, приводит к уменьшению глубины общей обратной связи и увеличению нелинейных искажений. Кроме того, в случае проникновения в усилительный тракт сигнала с крутым фронтом нарастания или возбуждения усилителя возникает опасность выхода из строя операционного усилителя, так как базовый ток транзисторов, выполняющих функции усилителей напряжения, потребляется через выходной каскад операционного усилителя либо приводит к увеличению нелинейных искажений. Помимо того, такие схемные решения требуют единой рабочей точки для симметричных ветвей, поэтому возможен только режим В, характеризующийся повышенным уровнем нелинейных искажений. However, when using such cascades at high frequencies of the audio range, the performance of the amplifier is affected by the base-collector junction capacitance, which, in turn, leads to a decrease in the depth of the overall feedback and an increase in the nonlinear distortion. In addition, if a signal with a steep rise or excitation front penetrates into the amplifier path, there is a risk of the operational amplifier failing, since the base current of transistors acting as voltage amplifiers is consumed through the output stage of the operational amplifier or leads to an increase in non-linear distortions. In addition, such circuit solutions require a single operating point for symmetrical branches, therefore, only mode B is possible, characterized by an increased level of nonlinear distortion.

Известен усилитель мощности звуковой частоты (Е.Гумеля. Качество и схемотехника УМЗЧ, Радио, N 9, 1985, с. 31-35), выполненный по принципу токовой разгрузки. Он содержит входной каскад, выполненный на операционном усилителе, питание которого осуществляется через стабилизаторы напряжения, выполненные на транзисторах разной структуры. Базы транзисторов подключены к делителям напряжения, эмиттеры - к соответствующим плечам питания операционного усилителя, а их коллекторы соединены с датчиками тока, потребляемого операционным усилителем, в виде низкоомных резисторов. Каскад усиления напряжения известного усилителя выполнен по симметричной схеме на двух транзисторах соответствующей структуры, базы которых подключены к резисторам датчиков тока, а их эмиттеры подсоединены к соответствующим шинам питания. Коллекторы этих транзисторов подсоединены к диодам, являющимся нагрузкой блока усиления тока, каскад которого выполнен по симметричной схеме на мощных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором и работающих в режиме В. A well-known power amplifier of sound frequency (E. Gumelya. Quality and circuit design UMZCH, Radio, N 9, 1985, p. 31-35), performed on the principle of current discharge. It contains an input stage made on an operational amplifier, the power of which is carried out through voltage stabilizers made on transistors of different structures. The transistor bases are connected to voltage dividers, the emitters are connected to the corresponding supply arms of the operational amplifier, and their collectors are connected to the sensors of the current consumed by the operational amplifier in the form of low-resistance resistors. The voltage amplification stage of the known amplifier is made in a symmetrical manner on two transistors of the corresponding structure, the bases of which are connected to resistors of current sensors, and their emitters are connected to the corresponding power buses. The collectors of these transistors are connected to the diodes, which are the load of the current amplification unit, the cascade of which is made according to a symmetrical scheme on powerful transistors connected according to the scheme with a common collector and operating in mode B.

Нагрузкой операционного усилителя является низкоомный резистор, обеспечивающий ток, достаточный для возбуждения каскада усиления напряжения. Усилитель охвачен отрицательной обратной связью. Средние точки каскада усиления напряжения и выходного каскада соединены низкоомным резистором, позволяющим сохранить цепь общей обратной связи в статическом режиме и режиме малого сигнала, так как транзисторы выходного каскада работают без тока покоя. Компенсация нелинейности входной характеристики выходного каскада осуществляется посредством моста, плечи которого составлены индуктивностью, емкостью и двумя резисторами. The load of the operational amplifier is a low-resistance resistor providing sufficient current to drive the voltage amplification cascade. The amplifier is covered by negative feedback. The midpoints of the voltage amplification stage and the output stage are connected by a low-resistance resistor, which allows you to save the general feedback circuit in static mode and small signal mode, since the transistors of the output stage operate without quiescent current. Compensation of the nonlinearity of the input characteristic of the output stage is carried out by means of a bridge, the shoulders of which are composed of inductance, capacitance, and two resistors.

При поступлении на неинвертирующий вход операционного усилителя сигнала положительной полярности потребление тока положительным плечом питания усилителя возрастает пропорционально амплитуде входного сигнала, что приводит к увеличению падения напряжения на резисторе, включенном одним выходом в коллекторную цепь стабилизатора напряжения, а другим выводом - положительной шине питания усилителя мощности. When a positive polarity signal is supplied to the non-inverting input of the operational amplifier, the current consumption by the positive arm of the amplifier’s power increases in proportion to the amplitude of the input signal, which leads to an increase in the voltage drop across the resistor connected by one output to the collector circuit of the voltage stabilizer, and the other output to the positive power amplifier power bus.

Увеличение падения напряжения на резисторе приводит к открыванию транзистора, выполняющего функцию усилителя напряжения и тока. Затем открывается следующий транзистор, выполняющий функцию усилителя тока, который через коллекторный переход и шину положительного питания передает ток в нагрузку. An increase in the voltage drop across the resistor leads to the opening of the transistor, which serves as a voltage and current amplifier. Then the next transistor opens, which acts as a current amplifier, which transfers current to the load through the collector junction and the positive power bus.

Для придания устойчивости усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью, коэффициент которой определяется соотношением сопротивлений резистора, подсоединенного одним своим выводом к точке соединения эмиттеров транзисторов выходного каскада, а вторым выводом подключенным к инвертирующему входу операционного усилителя, и резистора, один вывод которого подключен к общей шине, а второй вывод - к инвертирующему входу операционного усилителя. To give stability, the amplifier is covered by general negative feedback, the coefficient of which is determined by the ratio of the resistances of the resistor connected by its one output to the junction point of the transistor emitters of the output stage, and the second output connected to the inverting input of the operational amplifier, and a resistor, one output of which is connected to a common bus, and the second output is to the inverting input of the operational amplifier.

Коррекция фазочастотной характеристики осуществляется с помощью конденсатора, включенного одним выводом в среднюю точку предоконечного каскада, а вторым - к инвертирующему входу операционного усилителя. Эмиттеры транзисторов предоконечного каскада подключены к диодам, включенным в прямом смещении. Ток, протекающий через эти транзисторы, вызывает падение напряжения на диодах на такую величину, чтобы выходные транзисторы, подключенные базами к соответствующим диодам, а эмиттерами - к средней точке, были надежно заперты. Таким образом выходные транзисторы работают в режиме В. The correction of the phase-frequency characteristic is carried out using a capacitor connected by one output to the midpoint of the pre-terminal stage, and the second to the inverting input of the operational amplifier. The emitters of the transistors of the terminal stage are connected to the diodes included in forward bias. The current flowing through these transistors causes a voltage drop across the diodes by such a value that the output transistors connected by the bases to the corresponding diodes, and the emitters to the midpoint, are securely locked. Thus, the output transistors operate in mode B.

Включение транзисторов с общим эмиттером и в усилительный тракт приводит к ухудшению динамических характеристик усилителя в связи с тем, что с ростом частоты сигнала заметную роль вследствие эффекта Миллера играют емкости коллекторных переходов. Кроме того, при большом коэффициенте усиления по напряжению коллекторная емкость является преобладающей. При подаче сигнала с низкоомного источника возможно самовозбуждение на частотах, близких к граничной частоте единичного усиления транзистора. The inclusion of transistors with a common emitter in the amplifier path leads to a deterioration in the dynamic characteristics of the amplifier due to the fact that, with increasing signal frequency, a significant role due to the Miller effect is played by the capacitance of collector junctions. In addition, with a large voltage gain, the collector capacitance is predominant. When a signal is supplied from a low-impedance source, self-excitation is possible at frequencies close to the boundary frequency of a unit gain of the transistor.

Поэтому включение транзистора с общим эмиттером в качестве усилителя напряжения нежелательно. Therefore, the inclusion of a transistor with a common emitter as a voltage amplifier is undesirable.

Использование транзисторов выходного каскада в режиме В нежелательно по следующим причинам:
а) в отсутствие тока покоя кристалл, имеющий большую площадь, не разогрет, поэтому при прохождении сигнала с крутым фронтом и большой амплитудой через транзистор происходит локальный разогрев кристалла, приводящий к деформации его и, как следствие, либо к пробою транзистора, либо к возникновению выброса гармоник;
б) вследствие нелинейности выходного каскада, работающего в режиме В, необходимо применять специальные меры по компенсации нелинейных искажений, что требует усложнения схемы и точной настройки моста, компенсирующего их;
в) транзистор, выполняющий функции усилителя напряжения и включенный с общим эмиттером, потребляет ток базы через соответствующий стабилизатор напряжения и через выходной каскад операционного усилителя.The use of transistors of the output stage in mode B is undesirable for the following reasons:
a) in the absence of a quiescent current, a crystal with a large area is not heated, therefore, when a signal with a steep front and a large amplitude passes through a transistor, the crystal is heated locally, leading to its deformation and, as a result, to breakdown of the transistor or to the generation of an outlier harmonics;
b) due to the non-linearity of the output stage operating in mode B, it is necessary to apply special measures to compensate for non-linear distortions, which requires complicating the circuit and fine-tuning the bridge to compensate for them;
c) a transistor acting as a voltage amplifier and connected with a common emitter consumes the base current through the corresponding voltage regulator and through the output stage of the operational amplifier.

Так как усилитель мощности работает на индуктивную нагрузку, то на некоторых частотах звукового диапазона сопротивление нагрузки может уменьшаться в 3-4 раза. Это приводит к увеличению базового тока транзистора, усиливающего напряжение, а поскольку выходной каскад операционного усилителя нагружен на нагрузку значительно ниже номинальной, то возможен выход из строя его выходных транзисторов, что снижает надежность усилителя мощности. Since the power amplifier operates on an inductive load, then at some frequencies of the sound range, the load resistance can decrease by 3-4 times. This leads to an increase in the base current of the transistor, which amplifies the voltage, and since the output stage of the operational amplifier is loaded at a load much lower than the nominal one, failure of its output transistors is possible, which reduces the reliability of the power amplifier.

Задача изобретения - создание усилителя мощности звуковой частоты с таким схемным выполнением его каскадов, которое позволило бы снизить нелинейные искажения, повысить надежность и снизить требования к используемой элементной базе. The objective of the invention is the creation of an audio power amplifier with such a cascade of its cascades that would reduce non-linear distortions, increase reliability and reduce the requirements for the used element base.

Поставленная задача решается тем, что в усилителе мощности звуковой частоты, содержащем входной каскад, выполненный на операционном усилителе с выходной низкоомной нагрузкой, выводы питания которого подключены к соответствующим стабилизаторам напряжения, выполненным на транзисторах, коллекторы которых соединены с датчиками тока, потребляемого операционным усилителем, в виде резисторов, каскад усиления напряжения, выполненный по симметричной схеме на двух транзисторах, подключенных к резисторам датчиков тока входного каскада, блок усиления тока, выполненный по симметричной схеме и содержащий каскад на транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором и соединенных своими базами с коллекторами транзисторов каскада усиления напряжения, и цепь отрицательной обратной связи, общей для постоянного и переменного токов, согласно изобретению операционный усилитель входного каскада имеет цепь отрицательной обратной связи, общей для переменного и постоянного токов, выполненную в виде делителя напряжения, транзисторы каскада усиления напряжения включены по схеме с общей базой, и кроме того, этот каскад дополнительно содержит цепь, задающую потенциал на базах его транзисторов и включающую две группы последовательно соединенных диодов, объединенные резистором, причем база транзистора плеча положительной полярности усилителя соединена с катодом первого диода группы, в которой анод последнего диода подключен к шине положительной полярности, а база транзистора плеча отрицательной полярности усилителя соединена с анодом первого диода группы, в которой катод последнего диода соединен с шиной отрицательной полярности, а блок усиления тока дополнительно содержит по меньшей мере два каскада на транзисторах, включенных по симметричной схеме с общим коллектором, при этом выходной каскад блока содержит два последовательно соединенных резистора, вывод одного из которых соединен с эмиттером транзистора плеча положительной полярности, а вывод другого резистора подключен к эмиттеру транзистора плеча отрицательной полярности, и, кроме того, блок усиления тока дополнительно имеет термостабилизатор, содержащий два транзистора разной структуры, базы которых подключены к эмиттерам транзисторов предвыходного каскада, их эмиттеры соединены между собой, а коллекторы подключены к базам соответствующих транзисторов предвыходного каскада. The problem is solved in that in an audio frequency power amplifier containing an input stage, made on an operational amplifier with an output low impedance load, the power leads of which are connected to corresponding voltage stabilizers made on transistors, the collectors of which are connected to the sensors of the current consumed by the operational amplifier, in in the form of resistors, a voltage amplification cascade made according to a symmetric scheme on two transistors connected to resistors of the input stage current sensors, the unit current strength, made according to a symmetrical circuit and containing a cascade on transistors connected according to a common collector circuit and connected by their bases to collectors of transistors of the voltage amplification cascade, and a negative feedback circuit common to direct and alternating currents, according to the invention, the operational amplifier of the input stage has a negative feedback circuit common to alternating and direct currents, made in the form of a voltage divider, transistors of the voltage amplification cascade are included according to the scheme base, and in addition, this cascade additionally contains a circuit that defines the potential at the bases of its transistors and includes two groups of series-connected diodes connected by a resistor, and the base of the transistor of the positive polarity arm of the amplifier is connected to the cathode of the first diode of the group in which the anode of the last diode is connected to the bus of positive polarity, and the base of the arm transistor of negative polarity of the amplifier is connected to the anode of the first diode of the group in which the cathode of the last diode is connected to the negative bus polarity, and the current amplification unit additionally contains at least two stages on transistors connected in a symmetrical manner with a common collector, while the output stage of the block contains two series-connected resistors, the output of one of which is connected to the emitter of the arm transistor of positive polarity, and the output another resistor is connected to the emitter of the transistor of the shoulder of negative polarity, and, in addition, the current amplification unit additionally has a heat stabilizer containing two transistors of different structures, the bases of which are connected to the emitters of transistors of the pre-output stage, their emitters are interconnected, and the collectors are connected to the bases of the corresponding transistors of the pre-output stage.

Выполнение входного каскада на операционном усилителе, охваченном отрицательной обратной связью, приводит к уменьшению нелинейных искажений, балансировке операционного усилителя по постоянному току и лучшей устойчивости к самовозбуждению. Включение транзисторов каскада усиления напряжения по схеме с общей базой позволяет исключить влияние эффекта Миллера и за счет этого увеличить граничную частоту работы транзистора, усиливающего напряжение, и уменьшить нелинейные искажения. Кроме того, такое включение транзисторов обеспечивает хорошее согласование низкоомного источника сигнала и большого входного сопротивления транзистора, включенного с общим коллектором. В предлагаемом усилителе транзистор, включенный с общей базой, не потребляет ток, протекающий через операционный усилитель, что благоприятно сказывается на снижении уровня нелинейных искажений и повышении надежности операционного усилителя. The implementation of the input stage on the operational amplifier, covered by negative feedback, reduces non-linear distortion, balancing the operational amplifier with direct current and better resistance to self-excitation. The inclusion of transistors of the voltage amplification cascade according to a scheme with a common base makes it possible to eliminate the influence of the Miller effect and thereby increase the cutoff frequency of the voltage-amplifying transistor and reduce non-linear distortions. In addition, this inclusion of transistors ensures good coordination of the low-impedance signal source and the large input impedance of the transistor included with a common collector. In the proposed amplifier, the transistor, included with a common base, does not consume the current flowing through the operational amplifier, which favorably affects the reduction of non-linear distortion and increase the reliability of the operational amplifier.

Выполнение блока усиления тока согласно изобретению обеспечивает работу его транзисторов в активном режиме АВ (с током покоя). Это значительно снижает нелинейные искажения и обеспечивает разогрев кристаллов транзисторов в статическом режиме. Увеличение количества каскадов блока усиления тока приводит к увеличению динамической мощности и снижению искажений при нагрузке, имеющей комплексное сопротивление (реальная акустическая система). Кроме того, при увеличении каскадов усилитель мощности не критичен к разбросу характеристик транзисторов, включенных в блок усиления тока. The implementation of the current amplification unit according to the invention ensures the operation of its transistors in the active mode AB (with a quiescent current). This significantly reduces non-linear distortion and ensures the heating of transistor crystals in static mode. An increase in the number of cascades of the current amplification unit leads to an increase in dynamic power and a decrease in distortion under a load having integrated resistance (real speaker system). In addition, when the cascades increase, the power amplifier is not critical to the spread in the characteristics of the transistors included in the current amplification unit.

Введение в усилитель термостабилизатора для предвыходного и выходного каскадов обеспечивает регулировку тока покоя. The introduction of a thermal stabilizer into the amplifier for the output and output stages provides for regulation of the quiescent current.

Усилитель мощности звуковой частоты согласно изобретению содержит входной каскад 1, выполненный на операционном усилителе 2, питание которого осуществляется через параметрические стабилизаторы, выполненные на транзисторах 3 и 4, эмиттеры которых соединены соответственно с положительным и отрицательным выводами питания усилителя 2. База транзистора 3 подключена к катоду стабилитрона 5 и одному из выводов резистора 6, другой вывод которого подсоединен к шине 7 положительной полярности источника питания. Анод стабилитрона 5 подсоединен к шине 8 нулевого потенциала. База транзистора 5 подсоединена к аноду стабилитрона 9 и одному из выводов резистора 10, другой вывод которого подсоединен к шине 11 отрицательной полярности источника питания, причем катод стабилитрона 9 соединен с шиной 8 нулевого потенциала. The audio frequency power amplifier according to the invention comprises an input stage 1 made on an operational amplifier 2, the power of which is provided through parametric stabilizers made on transistors 3 and 4, the emitters of which are connected to the positive and negative terminals of the power supply of amplifier 2. The base of transistor 3 is connected to the cathode a zener diode 5 and one of the terminals of the resistor 6, the other terminal of which is connected to the bus 7 of the positive polarity of the power source. The anode of the zener diode 5 is connected to the bus 8 of zero potential. The base of the transistor 5 is connected to the anode of the zener diode 9 and one of the terminals of the resistor 10, the other terminal of which is connected to the bus 11 of the negative polarity of the power source, and the cathode of the zener diode 9 is connected to the bus 8 of zero potential.

Неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подсоединен к одному из выводов резистора 12, другой вывод которого подключен к одному из выводов разделительного конденсатора 13, соединенного другим своим выводом со входом усилителя мощности. Кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подсоединен к одному из выводов резистора 14, другой вывод которого соединен с шиной 8 нулевого потенциала, и к одному из выводов резистора 15 цепи отрицательной обратной связи, зашунтированного конденсатором 16. The non-inverting input of the operational amplifier 2 is connected to one of the terminals of the resistor 12, the other terminal of which is connected to one of the terminals of the isolation capacitor 13 connected by its other terminal to the input of the power amplifier. In addition, the non-inverting input of the operational amplifier 2 is connected to one of the terminals of the resistor 14, the other terminal of which is connected to the zero potential bus 8, and to one of the terminals of the negative feedback resistor 15, shunted by the capacitor 16.

Операционный усилитель 2 содержит цепь отрицательной обратной связи, выполненную в виде делителя напряжения, образованного резисторами 17 и 18, одни выводы которых подсоединены к инвертирующему входу операционного усилителя 2. Другой вывод резистора 17 соединен с шиной 8 нулевого потенциала, а другой вывод резистора 18 подключен к выходу операционного усилителя 2 и одному из выводов выходной низкоомной нагрузки 19, подсоединенной к шине 8 нулевого потенциала. The operational amplifier 2 contains a negative feedback circuit made in the form of a voltage divider formed by resistors 17 and 18, one of the terminals of which is connected to the inverting input of the operational amplifier 2. The other terminal of the resistor 17 is connected to the zero potential bus 8, and the other terminal of the resistor 18 is connected to the output of the operational amplifier 2 and one of the outputs of the output low-impedance load 19 connected to the bus 8 of zero potential.

Коллекторы транзисторов 3 и 4 соединены с датчиками тока, потребляемого операционным усилителем 2, в виде резисторов 20 и 21, подсоединенных соответственно к шинам 7 и 11 положительной и отрицательной полярности. The collectors of transistors 3 and 4 are connected to the sensors of the current consumed by the operational amplifier 2, in the form of resistors 20 and 21, respectively connected to the buses 7 and 11 of positive and negative polarity.

Каскад 22 усиления напряжения выполнен по симметричной схеме на транзисторах 23 и 24 с общей базой, эмиттеры которых подсоединены к резисторам 20 и 21 датчиков тока соответственно. Коллекторы транзисторов 23 и 24 подключены соответственно к выводам резистора 25. Кроме того, каскад 22 усиления напряжения содержит цепь, задающую потенциал на базах транзисторов 23 и 24. Эта цепь включает две группы последовательно соединенных диодов 26, 27 и 28, 29, объединенные резистором 30. База транзистора 23 плеча положительной полярности усилителя соединена с катодом диода 27, при этом анод диода 26 этой группы подключен к шине 7 положительной полярности. База транзистора 24 соединена с анодом диода 28, причем катод диода 29 этой группы подсоединен к шине 11 отрицательной полярности. The voltage amplification stage 22 is made in a symmetrical manner on transistors 23 and 24 with a common base, the emitters of which are connected to resistors 20 and 21 of the current sensors, respectively. The collectors of the transistors 23 and 24 are connected respectively to the terminals of the resistor 25. In addition, the voltage amplification stage 22 contains a circuit that defines the potential at the bases of transistors 23 and 24. This circuit includes two groups of diodes 26, 27 and 28, 29 connected in series by a resistor 30 The base of the transistor 23 of the arm of positive polarity of the amplifier is connected to the cathode of the diode 27, while the anode of the diode 26 of this group is connected to the bus 7 of positive polarity. The base of the transistor 24 is connected to the anode of the diode 28, and the cathode of the diode 29 of this group is connected to the negative polarity bus 11.

Блок 31 усиления тока предлагаемого усилителя мощности содержит каскады на транзисторах 32-37, включенных по симметричной схеме с общим коллектором. Коллекторы транзисторов 32, 34 и 36 подключены к шине 7 положительной полярности, а коллекторы транзисторов 33, 35 и 37 - к шине 11 отрицательной полярности. Базы транзисторов 32 и 33 соединены с коллекторами транзисторов 23 и 24 соответственно. Базы транзисторов 34, 35 и 36, 37 двух других каскадов подключены соответственно к эмиттерам транзисторов 32, 34 и 33, 35 предыдущих каскадов. Выходной каскад блока 31 усиления тока содержит два последовательно соединенных резистора 38 и 39, при этом вывод резистора 38 соединен с эмиттером транзистора 36 плеча положительной полярности, а вывод резистора 39 - с эмиттером транзистора 37 плеча отрицательной полярности. Общая точка последовательно соединенных резисторов 38 и 39 подключена к соответствующим выводам резистора 15 и конденсатора 16 цепи отрицательной обратной связи, а также к одному из выводов катушки 40 индуктивности, другой вывод которой соединен с нагрузкой 41 усилителя мощности, подсоединенной к шине 8 нулевого потенциала. В блок 31 введен, кроме того, конденсатор 42, подключенный одним своим выводом к базе транзистора 32, к коллектору транзистора 23 и к соответствующему выводу резистора 25. The current amplification unit 31 of the proposed power amplifier contains cascades on transistors 32-37 connected in a symmetrical manner with a common collector. The collectors of the transistors 32, 34 and 36 are connected to the bus 7 of positive polarity, and the collectors of the transistors 33, 35 and 37 to the bus 11 of negative polarity. The base of transistors 32 and 33 are connected to the collectors of transistors 23 and 24, respectively. The base transistors 34, 35 and 36, 37 of the other two stages are connected respectively to the emitters of the transistors 32, 34 and 33, 35 of the previous stages. The output stage of the current amplification unit 31 contains two series-connected resistors 38 and 39, while the output of the resistor 38 is connected to the emitter of the transistor 36 of the positive polarity arm, and the output of the resistor 39 is connected to the emitter of the transistor 37 of the negative polarity arm. The common point of the series-connected resistors 38 and 39 is connected to the corresponding terminals of the resistor 15 and the capacitor 16 of the negative feedback circuit, as well as to one of the terminals of the inductor 40, the other terminal of which is connected to the load 41 of the power amplifier connected to the zero potential bus 8. In addition, a capacitor 42 is connected to block 31, connected by its own output to the base of transistor 32, to the collector of transistor 23, and to the corresponding terminal of resistor 25.

Блок 31 усиления тока имеет термостабилизатор 43, содержащий транзисторы 44 и 45 разной структуры, базы которых подключены к эмиттерам транзисторов 34 и 35 предвыходного каскада. Эмиттеры транзисторов 44 и 45 соединены между собой, а их коллекторы подсоединены к базам транзисторов 34 и 35 предвыходного каскада. Термостабилизатор 43 содержит также резистор 46, выводы которого соединены с эмиттерами транзисторов 34 и 35. The current amplification unit 31 has a thermal stabilizer 43 containing transistors 44 and 45 of different structures, the bases of which are connected to the emitters of transistors 34 and 35 of the output stage. The emitters of transistors 44 and 45 are interconnected, and their collectors are connected to the bases of transistors 34 and 35 of the pre-output stage. The temperature stabilizer 43 also contains a resistor 46, the terminals of which are connected to the emitters of transistors 34 and 35.

Входной каскад 1 усилителя мощности выполнен на операционном усилителе 2, питание которого осуществляется через параметрические стабилизаторы, выполненные на транзисторах 3 и 4. Рабочее напряжение транзисторов 3 и 4 в статическом режиме задается стабилитронами 5 и 9 и резисторами 6 и 10. Операционный усилитель 2 охвачен глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току через делитель, образованный резисторами 17 и 18. Это необходимо для балансировки операционного усилителя 2 по постоянному току. The input stage 1 of the power amplifier is made on an operational amplifier 2, the power of which is provided through parametric stabilizers made on transistors 3 and 4. The operating voltage of transistors 3 and 4 in static mode is set by zener diodes 5 and 9 and resistors 6 and 10. Operational amplifier 2 is covered by a deep negative feedback on direct current through a divider formed by resistors 17 and 18. This is necessary for balancing the operational amplifier 2 in direct current.

В режиме холостого хода операционный усилитель 2 имеет ток потребления, который вызывает падение напряжения на резисторах 20 и 21. Эмиттеры транзисторов 23 и 24 каскада 21 усиления напряжения подключены к соответствующим резисторам 20 и 21, а их базы - к цепи, состоящей из диодов 26-29 и резистора 30, сопротивление которого выбрано таким образом, чтобы обеспечить номинальный ток через диоды 26-29, который, в свою очередь, вызывает падение напряжения на них на величину, достаточную для надежного открывания транзисторов 23 и 24. Ток, протекающий через резистор 20, транзистор 23, резистор 25, транзистор 24, резистор 21, вызывает падение напряжения на резисторе 25, необходимое для открывания транзисторов 32 и 33 блока 31 усиления тока, благодаря которому возникает ток через транзисторы 32, 44, 45 и 33, вызывающий падение напряжения на коллекторных переходах транзисторов 44 и 45. Это падение напряжения открывает транзисторы 34 и 35 предвыходного каскада, ток через которые создает падение напряжения на резисторе 46. Это падение напряжения открывает транзисторы 36 и 37, благодаря чему они работают в режиме АВ. In idle mode, the operational amplifier 2 has a consumption current that causes a voltage drop across the resistors 20 and 21. The emitters of the transistors 23 and 24 of the voltage amplification stage 21 are connected to the corresponding resistors 20 and 21, and their base is connected to the circuit consisting of diodes 26- 29 and a resistor 30, the resistance of which is selected so as to provide a nominal current through the diodes 26-29, which, in turn, causes a voltage drop across them by an amount sufficient to reliably open the transistors 23 and 24. The current flowing through the resistor p 20, the transistor 23, the resistor 25, the transistor 24, the resistor 21, causes a voltage drop across the resistor 25, necessary to open the transistors 32 and 33 of the current amplification unit 31, due to which there is a current through the transistors 32, 44, 45 and 33, causing a drop voltage at the collector junctions of transistors 44 and 45. This voltage drop opens transistors 34 and 35 of the pre-output stage, the current through which creates a voltage drop across resistor 46. This voltage drop opens transistors 36 and 37, so they work in AB mode.

Резисторы 38 и 39 являются элементами цепи отрицательной обратной связи по постоянному току и выполняют роль дополнительных термостабилизирующих элементов. Resistors 38 and 39 are elements of a negative DC feedback circuit and act as additional thermostabilizing elements.

Основную роль в термостабилизации выходного каскада выполняют транзисторы 44 и 45. Термостабилизация осуществляется следующим образом. Транзисторы 36 и 37 выходного каскада расположены рядом с транзисторами 34 и 35 предвыходного каскада и имеют с ними температурную связь. При подаче напряжения питания на усилитель мощности через транзисторы 36 и 37 протекает ток, который приводит к разогреву их кристаллов и увеличению тока через них. Это вызывает увеличение падения напряжения на резисторах 38 и 39, что приводит к уменьшению падения напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов 36 и 37 и призакрыванию их. Кроме того, повышение температуры транзисторов 36 и 37 вследствие температурной связи разогревает кристаллы транзисторов 34 и 35, что вызывает увеличение падения напряжения на резисторе 46, которое приоткрывает транзисторы 44 и 45. В результате этого сопротивление транзисторов 44 и 45 уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на коллекторных переходах транзисторов 44 и 45, в результате чего транзисторы 34 и 35 призакрываются. Таким образом схема стабилизируется и входит в рабочий режим. The main role in the thermal stabilization of the output stage is played by transistors 44 and 45. Thermal stabilization is carried out as follows. Transistors 36 and 37 of the output stage are located next to transistors 34 and 35 of the output stage and have a temperature connection with them. When a supply voltage is applied to the power amplifier, current flows through transistors 36 and 37, which leads to heating of their crystals and an increase in current through them. This causes an increase in the voltage drop across the resistors 38 and 39, which leads to a decrease in the voltage drop at the base-emitter junctions of the transistors 36 and 37 and their closure. In addition, the temperature increase of the transistors 36 and 37 due to the temperature coupling heats the crystals of the transistors 34 and 35, which causes an increase in the voltage drop across the resistor 46, which opens the transistors 44 and 45. As a result, the resistance of the transistors 44 and 45 decreases, which leads to a decrease in the drop voltage at the collector junctions of transistors 44 and 45, as a result of which transistors 34 and 35 are closed. Thus, the circuit stabilizes and enters the operating mode.

Усилитель мощности охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току через резистор 15, что позволяет балансировать усилитель мощности по постоянному току. The power amplifier is covered by negative DC feedback through the resistor 15, which allows you to balance the DC amplifier.

Поскольку усилитель мощности симметричен, рассмотрим его работу в динамическом режиме, например, при положительной полярности входного сигнала. Сигнал положительной полярности поступает через разделительный конденсатор 13 и резистор 12, предназначенные для увеличения входного сопротивления усилителя мощности, на неинвертирующий вход операционного усилителя 2. Так как операционный усилитель 2 нагружен на низкоомную нагрузку 19, ток плеча питания положительной полярности вызывает пропорциональное падение напряжения на резисторе 20. В результате этого потенциал на переходе транзистора 23 уменьшается и он запирается, вследствие чего транзисторы 32, 34 и 36 закрываются. В то же время за счет уменьшения тока через резистор 21 открывается транзистор 24, что приводит к увеличению отрицательного потенциала на его коллекторе и соответственно на базе транзистора 33, и следовательно, к открыванию его и транзисторов 35 и 37 последующих каскадов. Since the power amplifier is symmetrical, consider its operation in dynamic mode, for example, with a positive polarity of the input signal. The signal of positive polarity enters through the isolation capacitor 13 and resistor 12, designed to increase the input resistance of the power amplifier, to the non-inverting input of the operational amplifier 2. Since the operational amplifier 2 is loaded on a low-impedance load 19, the current of the positive-arm power arm causes a proportional voltage drop across the resistor 20 As a result of this, the potential at the junction of the transistor 23 decreases and it is locked, as a result of which the transistors 32, 34 and 36 are closed. At the same time, by reducing the current through the resistor 21, the transistor 24 opens, which leads to an increase in the negative potential on its collector and, accordingly, on the basis of the transistor 33, and therefore to the opening of it and the transistors 35 and 37 of the subsequent stages.

Таким образом происходит инвертирование фазы сигнала. Сигнал с выхода усилителя мощности через резистор 15 подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 2, в результате имеем инвертирующий усилитель. Thus, the phase of the signal is inverted. The signal from the output of the power amplifier through the resistor 15 is fed to the non-inverting input of the operational amplifier 2, as a result we have an inverting amplifier.

Входной каскад 1, выполненный на операционном усилителе 2, охвачен глубокой общей отрицательной обратной связью, общей для постоянного и переменного токов. Это приводит к увеличению устойчивости, линейности и уменьшению нелинейных искажений. The input stage 1, made on the operational amplifier 2, is covered by a deep general negative feedback common to direct and alternating currents. This leads to an increase in stability, linearity and a decrease in non-linear distortion.

Каскад 22 усиления напряжения выполнен на транзисторах 23 и 24, включенных по схеме с общей базой, что позволило получить хорошее согласование низкоомной нагрузки - резисторов 20 и 21 и большим входным сопротивлением транзисторов 32 и 33, включенных по схеме с общим коллектором. The voltage amplification cascade 22 is made on transistors 23 and 24, connected according to the scheme with a common base, which made it possible to obtain good coordination of the low-impedance load - resistors 20 and 21 and a large input resistance of transistors 32 and 33, connected according to the scheme with a common collector.

Включение транзисторов 23 и 24 с общей базой имеет ряд преимуществ. The inclusion of transistors 23 and 24 with a common base has several advantages.

1. Большое усиление по напряжению
К₁ = gR₁,
где К₁ - коэффициент усиления по напряжению;
R₁ - сопротивление нагрузки;
g - крутизна характеристики транзистора.1. Large voltage gain
K ₁ = gR ₁ ,
where K ₁ is the voltage gain;
R ₁ - load resistance;
g is the slope of the transistor.

Сопротивлением нагрузки для каскада 22 с общей базой в динамическом режиме является входное сопротивление последующего каскада 31, выполненного по схеме с общим коллектором, имеющего очень большое входное сопротивление (сотни кОм). The load resistance for stage 22 with a common base in dynamic mode is the input impedance of the subsequent stage 31, made according to the scheme with a common collector, having a very large input impedance (hundreds of ohms).

2. Очень стабильное усиление по току

,
где К₂ - коэффициент усиления по току;
β - коэффициент передачи по току транзистора.2. Very stable current gain

,
where K ₂ is the current gain;
β is the current transfer coefficient of the transistor.

При возрастании коллекторного тока одного из транзисторов 32 или 33, включенных с общим коллектором, их входное сопротивление уменьшается. When the collector current of one of the transistors 32 or 33, included with a common collector, increases, their input resistance decreases.

где R₂ - входное сопротивление транзистора 32 или 33;
β - коэффициент передачи транзистора 32 или 33 по току;
R₃ - сопротивление нагрузки каскада;
r - сопротивление коллекторного перехода транзистора 32, 33.

where R ₂ is the input resistance of the transistor 32 or 33;
β is the current transfer coefficient of the transistor 32 or 33;
R ₃ - load resistance of the cascade;
r is the collector junction resistance of the transistor 32, 33.

Так как коллекторный ток транзистора 23, включенного с общей базой, практически не зависит от сопротивления нагрузки, уменьшение входного сопротивления транзистора 32, включенного с общим коллектором, не влияет на работу каскада 22 усиления напряжения. Since the collector current of the transistor 23 connected with a common base is practically independent of the load resistance, a decrease in the input resistance of the transistor 32 connected with a common collector does not affect the operation of the voltage amplification stage 22.

3. На транзисторы 23 и 24, включенные с общей базой, не влияет емкость перехода база - коллектор, следовательно, подобный каскад имеет лучшие частотные характеристики по сравнению с каскадами с общим эмиттером и большое быстродействие, что важно для каскада 22 усиления напряжения. 3. The transistors 23 and 24, connected with a common base, are not affected by the capacitance of the base-collector junction, therefore, such a cascade has better frequency characteristics compared to cascades with a common emitter and high speed, which is important for the voltage amplification cascade 22.

В динамическом режиме резисторы 20 и 21 выполняют роль элементов местной отрицательной обратной связи для транзисторов 23 и 24 вследствие того, что при открывании транзистора 23 положительный потенциал на его коллекторе возрастает и увеличивает базовый ток транзистора 32 в результате его открывания. Это приводит к увеличению падения напряжения на резисторе 20, что является эффектом местной отрицательной обратной связи для каскада 22 усиления напряжения, следовательно, глубина этой обратной связи зависит от коэффициента передачи транзисторов 32, 34, 36, 33, 35, 37, выполняющих функцию усилителей тока, и позволяет ослабить негативные последствия от применения транзисторов с разными коэффициентами передачи по току в разных плечах. In dynamic mode, resistors 20 and 21 act as local negative feedback elements for transistors 23 and 24 due to the fact that when the transistor 23 is opened, the positive potential on its collector increases and increases the base current of the transistor 32 as a result of its opening. This leads to an increase in the voltage drop across the resistor 20, which is the effect of local negative feedback for the voltage amplification stage 22, therefore, the depth of this feedback depends on the transmission coefficient of the transistors 32, 34, 36, 33, 35, 37, acting as current amplifiers , and allows you to mitigate the negative effects of the use of transistors with different current transfer coefficients in different arms.

Блок 31 усиления по току симметричен, выполнен на транзисторах 32, 34, 36, 33, 35, 37 и не имеет средней точки. Такое построение имеет ряд преимуществ, которые рассмотрим на примере работы транзисторов 32 и 33. Остальные каскады работают аналогично. The current amplification unit 31 is symmetrical, made on transistors 32, 34, 36, 33, 35, 37 and does not have a midpoint. Such a construction has a number of advantages, which we will consider using the operation of transistors 32 and 33 as an example. The remaining cascades work similarly.

Базы транзисторов 32 и 33 соединены с резистором 25 и соответствующими коллекторами транзисторов 23 и 24, а их эмиттеры подключены к соответствующим коллекторам транзисторов 44 и 45. Сопротивление на коллекторах переходах транзисторов 44 и 45 является нагрузкой для транзисторов 32 и 33 в статическом режиме. The bases of the transistors 32 and 33 are connected to the resistor 25 and the corresponding collectors of the transistors 23 and 24, and their emitters are connected to the corresponding collectors of the transistors 44 and 45. The resistance at the transition collectors of the transistors 44 and 45 is the load for the transistors 32 and 33 in static mode.

В динамическом режиме переключение транзисторов 23 и 24 в зависимости от полярности входного сигнала приводит к соответсвенному переключению транзисторов 32 и 33. Так как базовые емкости мощных транзисторов составляют значительную величину, то при переключении транзисторов в стандартном включении происходит накопление зарядов на базовых емкостях, это, в свою очередь, вызывает повышение нелинейных искажений. В предлагаемом усилителе мощности происходит эффективное рассасывание базовых зарядов транзисторов, например транзистора 36, из-за подачи напряжения противоположной полярности через резистор 46 на базу транзистора 36 при закрытом его состоянии. In the dynamic mode, switching the transistors 23 and 24, depending on the polarity of the input signal, leads to the corresponding switching of the transistors 32 and 33. Since the base capacitances of powerful transistors are significant, when the transistors are switched in standard switching on, charges accumulate on the base capacitors, this in turn, causes an increase in non-linear distortion. In the proposed power amplifier, there is an effective absorption of the base charges of transistors, such as transistor 36, due to the supply of voltage of opposite polarity through a resistor 46 to the base of transistor 36 when it is closed.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для усиления электрических сигналов звуковой частоты в аппаратуре высококачественного воспроизведения звука. The present invention can be used to amplify electrical audio signals in high-quality sound reproduction equipment.

Claims

An audio frequency power amplifier comprising an input stage made on an operational amplifier with an output low-impedance load, the power leads of which are connected to corresponding voltage stabilizers made on transistors, the collectors of which are connected to the sensors of the current consumed by the operational amplifier, in the form of resistors, a voltage amplification stage, the inputs of which are connected to the terminals of the resistors of the current sensors of the input stage and which is made on transistors of different structures and a resistor, the conclusions of which are the outputs of the voltage amplification cascade, the current amplification unit, the output of which is the output of the audio frequency power amplifier and is connected to the input of the audio frequency power amplifier through a negative feedback circuit common to direct and alternating currents, while the current amplification block is made in a symmetrical manner and contains a cascade on transistors having a different structure and connected according to the scheme with a common collector, the bases of which are the corresponding inputs of the current amplification unit and are connected to the outputs of the cascade voltage, characterized in that the operational amplifier of the input stage has a negative feedback circuit common to AC and DC currents, made in the form of a voltage divider, the transistors of the voltage amplification stage are connected according to a common base, and their emitters are inputs of the voltage amplification stage, and, in addition, a circuit is introduced into the voltage amplification cascade that defines the base potential and is executed on the first group of series-connected diodes connected in series between the power buses, a resistor and a second group of series-connected diodes, the resistor leads being the terminals of the circuit defining the base potential and connected to the bases of the corresponding transistors of the voltage amplification cascade, and the current amplification unit additionally contains at least two cascades on transistors of different structures included in the circuit with a common collector, while one of the stages is the output stage of the current amplification unit and additionally contains two series-connected resistors, the terminals of which are connected to the emitter the transistors of this cascade, and, in addition, a thermal stabilizer is introduced into the current amplification unit, containing two transistors of different structures and a resistor, the terminals of which are connected to the emitters of the pre-output stage of the current amplification unit and the bases of thermostabilizer transistors, the emitters of which are interconnected, and their collectors - to the bases of the corresponding transistors of the pre-output stage.