RU2527185C1 - Class av two-step amplifier - Google Patents
Class av two-step amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2527185C1 RU2527185C1 RU2013123645/08A RU2013123645A RU2527185C1 RU 2527185 C1 RU2527185 C1 RU 2527185C1 RU 2013123645/08 A RU2013123645/08 A RU 2013123645/08A RU 2013123645 A RU2013123645 A RU 2013123645A RU 2527185 C1 RU2527185 C1 RU 2527185C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- class
- output
- currents
- bias voltage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к радиоэлектронике, а точнее к линейным усилителям звуковых сигналов, которое может использоваться как в аппаратуре высокого класса и повышенной надежности, так и благодаря его относительной простоте, действенности и свойству самонастройки в большинстве транзисторных звучащих аппаратов, а также в устройствах контроля, измерения, автоматики и в специализированных микросхемах.The present invention relates to electronics, and more specifically to linear amplifiers of audio signals, which can be used both in high-class equipment and high reliability, and due to its relative simplicity, efficiency and self-tuning property in most transistor sounding devices, as well as in monitoring and measurement devices , automation and specialized microcircuits.
Уровень техникиState of the art
Усилители класса АВ наиболее распространены среди линейных усилителей, поскольку, оставаясь наиболее простым видом усилителей, в идеале позволяют сочетать высокую экономичность усилителей класса В с неискажающим усилением усилителей класса А. Однако формирование необходимого для этого напряжения смещения транзисторов, поддерживающего плечи двухтактного каскада на грани открывания положительными и отрицательными полуволнами сигнала, было и остается основной проблемой построения таких усилителей, проблемой стабилизации их параметров. Объясняется это нестабильностью управляющих характеристик транзисторов, их зависимостью и от температуры, и от уровня сигнала, и от разброса или дрейфа параметров тех же транзисторов. Вследствие этого до сих пор не было сформулировано однозначного способа (правила, критерия, алгоритма) регулирования напряжения смещения, который позволял бы усилителю автоматически устанавливать для своих транзисторов оптимальное напряжение смещения. Сложность проблемы иллюстрируется даже названием статьи Грошева В.Я. «Методы обеспечения определенности и стабильности начального режима двухтактных усилителей на биполярных транзисторах», опубликованной в научно-теоретическом журнале «Радиотехника» №2, 1989 г. Речь в ней идет не о стабилизации, а только об обеспечении «определенности» режима.Class AB amplifiers are the most common among linear amplifiers, since, while remaining the simplest type of amplifiers, ideally they allow combining the high efficiency of Class B amplifiers with non-distorting amplification of Class A amplifiers. However, the formation of the bias voltage necessary for this voltage, supporting the push-pull cascade arms on the verge of opening by positive and negative signal half-waves, it was and remains the main problem of constructing such amplifiers, the problem of stabilizing their parameters s. This is explained by the instability of the control characteristics of transistors, their dependence on temperature, and on the signal level, and on the spread or drift of the parameters of the same transistors. As a result of this, an unambiguous method (rule, criterion, algorithm) for regulating the bias voltage has not yet been formulated, which would allow the amplifier to automatically set the optimal bias voltage for its transistors. The complexity of the problem is illustrated even by the title of the article by V. Groshev. “Methods for ensuring the certainty and stability of the initial mode of push-pull bipolar transistor amplifiers,” published in the scientific and theoretical journal Radiotechnika No. 2, 1989. It is not about stabilization, but only about ensuring the “certainty” of the mode.
Уровень современной техники усилителей класса АВ можно оценить по книге: Сухов Н.Е. Радиохобби. Лучшие конструкции УНЧ и сабвуферов своими руками. - СПб.: Наука и техника, 2012. В ней собраны наиболее интересные схемные решения усилителей мощности, выполненные российскими и зарубежными авторами на различной элементной базе, в том числе и на импортных элементах.The level of modern technology of class AB amplifiers can be estimated from the book: Sukhov N.E. Radio hobby. The best designs of ULF and do-it-yourself subwoofers. - St. Petersburg: Science and Technology, 2012. It contains the most interesting circuit designs of power amplifiers, made by Russian and foreign authors on various components, including imported ones.
Среди решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, известны двухтактные усилители мощности, состоящие из основного мощного усилительного каскада и вспомогательного канала, который управляет режимом работы основного с регулируемой цепью смещения. Таковы двухтактный усилитель мощности (SU 652686, опубл. 15.03.1979, МПК: H03F 3/20), в котором вспомогательный каскад содержит широтно-импульсные преобразователи, усилитель мощности (SU 1119163 А, опубл. 15.10.1984, МПК: H03F 1/34), в который введен параллельный ограничитель сверху, и усилитель мощности (SU 1730714 А1, опубл. 30.04.1992, МПК: H03F 3/20), содержащий усилители-ограничители, сумматоры, дополнительные транзисторы и резисторы. Основная цель этих изобретений - снижение искажений и повышение КПД - решается разными средствами, но во всех случаях эти решения достаточно сложны, неочевидны, а элементы управления режимами усилителей сами нуждаются в настройке.Among the solutions protected by copyright certificates and patents, push-pull power amplifiers are known, consisting of a main powerful amplifier stage and an auxiliary channel that controls the main mode of operation with an adjustable bias circuit. Such are the two-stroke power amplifier (SU 652686, publ. 03/15/1979, IPC: H03F 3/20), in which the auxiliary cascade contains pulse-width converters, power amplifier (SU 1119163 A, publ. 10/15/1984, IPC: H03F 1 / 34), into which a parallel limiter is introduced from above, and a power amplifier (SU 1730714 A1, publ. 04/30/1992, IPC: H03F 3/20), containing limiters, adders, additional transistors and resistors. The main goal of these inventions - reducing distortions and increasing efficiency - is solved by different means, but in all cases these solutions are quite complex, not obvious, and the controls for the amplifier modes themselves need to be configured.
Существует масса технических решений, в которых решается задача стабилизации тока покоя усилителей за счет использования специальных обратных связей. Известен, в частности, бестрансформаторный двухтактный усилитель низкой частоты (SU 307487 А, опубл. 01.01.1971, МПК: H03F 3/26, H03F 1/34), охваченный цепью отрицательной обратной связи по напряжению, который увеличивает коэффициент нелинейных искажений за счет нелинейной безинерционной обратной связи по току транзисторов оконечного каскада, введенной для стабилизации начального тока усилителя.There are many technical solutions that solve the problem of stabilizing the quiescent current of amplifiers through the use of special feedbacks. Known, in particular, a transformer push-pull low-frequency amplifier (SU 307487 A, publ. 01.01.1971, IPC: H03F 3/26, H03F 1/34), covered by a negative voltage feedback circuit, which increases the coefficient of non-linear distortion due to non-linear non-inertial current feedback of the transistors of the terminal stage, introduced to stabilize the initial current of the amplifier.
Наиболее близким аналогом, по мнению автора, является усилитель, известный из документа SU 663073 А (опубл. 15.05.1979, МПК: H03F 1/34). В нем описывается бестрансформаторный транзисторный двухтактный усилитель класса АВ, охваченный отрицательной обратной связью по напряжению, содержащий последовательно соединенные предварительные, а также предоконечный и оконечный каскады, выполненные по последовательно-параллельной схеме, при этом в коллекторную цепь транзистора последнего предварительного каскада включены последовательно промежуток коллектор-эмиттер первого дополнительного транзистора и резистор, к выводам которого подключены базы транзисторов предоконечного каскада, в каждую коллекторную цепь транзисторов оконечного каскада включена параллельная диодно-резистивная цепочка, к месту соединения коллекторов с диодно-резистивными цепочками оконечного каскада подключен через источник напряжения смещения переход база-эмиттер второго дополнительного транзистора, коллектор которого через параллельную RC-цепь подключен к соответствующей шине питания, а непосредственно - к базе первого дополнительного транзистора.The closest analogue, according to the author, is an amplifier, known from document SU 663073 A (publ. 05/15/1979, IPC: H03F 1/34). It describes a transformerless transistor push-pull amplifier of class AB, covered by negative voltage feedback, containing series-connected preliminary, as well as terminal and terminal stages made in series-parallel circuit, while the collector-series gap is connected in series to the transistor collector circuit of the last preliminary stage the emitter of the first additional transistor and a resistor, to the terminals of which the base of the transistors is preliminarily connected about the cascade, a parallel diode-resistive circuit is included in each collector circuit of the terminal stage transistors, the base-emitter junction of the second additional transistor is connected to the junction of the collectors with the diode-resistive chains of the terminal stage, the collector of which is connected to the RC circuit through the parallel RC circuit the corresponding power bus, and directly to the base of the first additional transistor.
В этом усилителе есть все элементы, кроме отличительного, которые используются в формуле настоящего изобретения (см. чертеж SU 663073 А). Так, регулятор напряжения смещения реализован транзистором 9 и резистором 10, два измерителя токов плеч реализованы резисторами 13 и 14, суммирующее устройство образовано последовательным соединением этих резисторов, с которых снимается суммарное напряжение. Элементы 11÷18, которые непосредственного участия в усилении сигнала не принимают и служат только для стабилизации режима усилителя, можно выделить в модуль стабилизации.This amplifier has all the elements except the distinctive that are used in the claims of the present invention (see drawing SU 663073 A). So, the bias voltage regulator is implemented by a transistor 9 and a resistor 10, two shoulder current meters are implemented by resistors 13 and 14, the adder is formed by a series connection of these resistors, from which the total voltage is removed. Elements 11 ÷ 18, which do not directly participate in signal amplification and serve only to stabilize the amplifier mode, can be allocated to the stabilization module.
Недостатком указанного усилителя является то, что он не обеспечивает снижения искажений в широком диапазоне токов сигнала. Объясняется это тем, что при достаточно сильных сигналах обратной связью устанавливается такое напряжение смещения, при котором начальный ток усилителя, т.е. ток усилителя при прохождении усиливаемого сигнала через ноль становится меньше тока покоя этого усилителя или даже равным нулю. При этом возникают искажения типа «ступенька».The disadvantage of this amplifier is that it does not reduce distortion in a wide range of signal currents. This is explained by the fact that with sufficiently strong feedback signals, a bias voltage is set at which the initial current of the amplifier, i.e. the amplifier current when the amplified signal passes through zero becomes less than the quiescent current of this amplifier or even equal to zero. In this case, distortions of the “step” type arise.
Заявленное изобретение направлено на устранение недостатков известных решений.The claimed invention is aimed at eliminating the disadvantages of the known solutions.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом изобретения является формирование такого напряжения смещения, которое поддерживает оконечные транзисторы на грани открывания или в состоянии слабого контролируемого открывания, то есть обеспечивает постоянство начального тока усилителя, т.е. тока при прохождении усиливаемого сигнала через ноль при любом меняющемся уровне сигнала. Обеспечение постоянства начального тока усилителя на уровне его тока покоя обеспечивает снижение искажений в широком диапазоне токов сигнала при сохранении высокой температурной стабильности и стабильности при возможном разбросе или дрейфе параметров транзисторов.The technical result of the invention is the formation of such a bias voltage that supports the terminal transistors on the verge of opening or in a state of weak controlled opening, that is, ensures a constant initial current of the amplifier, i.e. current when the amplified signal passes through zero at any changing signal level. Ensuring the constancy of the initial current of the amplifier at the level of its quiescent current provides a reduction in distortion in a wide range of signal currents while maintaining high temperature stability and stability with a possible spread or drift of transistor parameters.
Указанный результат достигается в предлагаемом двухтактном усилителе класса АВ, который содержит регулятор напряжения смещения и модуль стабилизации с входящими в него двумя измерителями токов плеч и суммирующим устройством, где выход модуля стабилизации подключен к входу регулятора напряжения смещения, при этом для обеспечения постоянства начального тока при меняющемся уровне сигнала в усилитель введен детектор минимального значения суммы токов плеч, выход которого является выходом модуля стабилизации.The specified result is achieved in the proposed push-pull amplifier of class AB, which contains a bias voltage regulator and a stabilization module with two shoulder current meters included in it and a summing device, where the output of the stabilization module is connected to the bias voltage regulator input, while ensuring a constant initial current with varying At the signal level, a detector of the minimum value of the sum of the currents of the arms, the output of which is the output of the stabilization module, is introduced into the amplifier.
Известно, что стабилизировать что-то, в данном случае начальный ток усилителя, можно только путем его измерения, сравнения с эталонной величиной и автоматического регулирования. Для того чтобы выявить возможность измерения начального тока усилителя на фоне хаотически меняющегося тока сигнала автор изобретения предлагает рассмотреть изменения токов плеч двухтактного каскада и их суммы в предположении, что ток сигнала в нагрузке изменяется по простейшему синусоидальному закону:It is known that to stabilize something, in this case, the initial current of the amplifier, is possible only by measuring it, comparing it with a reference value and automatically controlling it. In order to identify the possibility of measuring the initial current of the amplifier against a background of a randomly changing signal current, the inventor proposes to consider the changes in the arm currents of the push-pull cascade and their sum under the assumption that the signal current in the load changes according to the simplest sinusoidal law:
iн=Im sin α,i n = I m sin α,
гдеWhere
iн - мгновенное значение тока нагрузки,i n - instantaneous value of the load current,
Im - его амплитуда,I m is its amplitude,
α=Ωt - фазовый угол,α = Ωt is the phase angle,
Ω - рабочая частота,Ω is the operating frequency,
t - время.t is time.
Характер изменения токов в плечах двухтактного каскада показан на Фиг.1а, а суммы абсолютных значений токов - на Фиг.1б.The nature of the change in currents in the shoulders of the push-pull cascade is shown in Fig. 1a, and the sum of the absolute values of the currents is shown in Fig. 1b.
Ток нагрузки в двухтактном каскаде определяется разностью токов плеч или суммой абсолютных значений приращений токов плеч:The load current in the push-pull cascade is determined by the difference of the shoulder currents or the sum of the absolute values of the increments of the shoulder currents:
iн=[Δi1]+[Δi2]i n = [Δi 1 ] + [Δi 2 ]
При малых токах сигнала работают оба плеча усилителя в линейном режиме класса А. Приращения токов плеч по абсолютной величине равны половине тока нагрузкиAt low signal currents, both arms of the amplifier operate in Class A linear mode. The increments of the arm currents in absolute value are equal to half the load current
и выражения для токов плеч будут иметь вид:and expressions for the shoulder currents will look like:
Здесь и далее через αкр обозначен критический фазовый угол, при превышении которого усилитель переходит из режима класса А в режим класса В.Hereinafter, α cr designates the critical phase angle, above which the amplifier switches from class A mode to class B.
Если все токи нормировать по отношению к максимальному току нагрузки:If all currents are normalized with respect to the maximum load current:
При α=αкр ток второго плеча уменьшается до нуля, т.е.For α = α cr, the current of the second arm decreases to zero, i.e.
В режиме класса В ток нагрузки определяется приращениями тока только одного плеча:In class B mode, the load current is determined by the current increments of only one arm:
При
Сумма токов плеч:The sum of the currents of the shoulders:
имеет постоянное минимальное значение, определяемое только начальным током усилителя:has a constant minimum value, determined only by the initial current of the amplifier:
(i1+i2)мин=2Iнн (i 1 + i 2 ) min = 2I nn
Вышеприведенные расчеты позволили автору настоящего изобретения сделать вывод о том, что для стабилизации режима усилителя класса АВ при любом желаемом начальном токе необходимо и достаточно стабилизировать минимальное значение суммы токов плеч, равное двукратному значению начального тока одного плеча. Данный принцип был использован при разработке настоящего изобретения.The above calculations allowed the author of the present invention to conclude that in order to stabilize the class AB amplifier mode at any desired initial current, it is necessary and sufficient to stabilize the minimum value of the sum of the currents of the arms, equal to twice the initial current of one arm. This principle has been used in the development of the present invention.
Таким образом, вне зависимости от конкретного исполнения усилителя, будь то трансформаторный или бестрансформаторный усилитель с параллельным или последовательным включением плеч, можно назвать обязательные для стабилизации его режима элементы. Эти элементы изображены на обобщенной структурной схеме предлагаемого усилителя класса АВ (см. Фиг.2).Thus, regardless of the specific design of the amplifier, whether it is a transformer or transformerless amplifier with parallel or series switching of the arms, we can name the elements necessary for stabilizing its mode. These elements are depicted in a generalized block diagram of the proposed class AB amplifier (see Figure 2).
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На Фиг.1 показан характер изменения токов в усилителе класса АВ.Figure 1 shows the nature of the change in currents in an amplifier of class AB.
На Фиг.2 показана структурная схема двухтактного усилителя класса АВ.Figure 2 shows the structural diagram of a push-pull amplifier class AB.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Предлагаемый усилитель работает следующим образом.The proposed amplifier operates as follows.
Измерители токов 1 и 2 постоянно измеряют токи плеч двухтактного выходного каскада. Суммирующее устройство отслеживает сумму мгновенных значений токов плеч. Детектор минимальных значений суммы токов плеч определяет минимальное значение этой суммы, наступающее в режиме покоя усилителя или при прохождении усиливаемого сигнала через ноль.Current meters 1 and 2 constantly measure the shoulder currents of the push-pull output stage. The summing device tracks the sum of the instantaneous values of the currents of the shoulders. The detector of minimum values of the sum of the currents of the arms determines the minimum value of this sum, which occurs in the idle mode of the amplifier or when the amplified signal passes through zero.
Выходное напряжение детектора определяется только начальным током усилителя и ничем больше. Оно так регулирует напряжение смещения усилителя, чтобы начальный ток усилителя сохранялся постоянным при любых дестабилизирующих факторах и при любой амплитуде сигнала. Этим обеспечивается стабильность режима и минимизация искажений в любых реальных условиях.The output voltage of the detector is determined only by the initial current of the amplifier and nothing more. It regulates the bias voltage of the amplifier so that the initial current of the amplifier is kept constant for any destabilizing factors and for any signal amplitude. This ensures stability of the mode and minimization of distortion in any real conditions.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013123645/08A RU2527185C1 (en) | 2013-05-23 | 2013-05-23 | Class av two-step amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013123645/08A RU2527185C1 (en) | 2013-05-23 | 2013-05-23 | Class av two-step amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2527185C1 true RU2527185C1 (en) | 2014-08-27 |
Family
ID=51456398
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013123645/08A RU2527185C1 (en) | 2013-05-23 | 2013-05-23 | Class av two-step amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2527185C1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU663073A1 (en) * | 1977-01-06 | 1979-05-15 | Предприятие П/Я А-7306 | Transformerless transistorized push-pull amplifier of ab class |
SU873384A1 (en) * | 1980-02-18 | 1981-10-15 | Севастопольский Приборостроительный Институт | Amplification device |
-
2013
- 2013-05-23 RU RU2013123645/08A patent/RU2527185C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU663073A1 (en) * | 1977-01-06 | 1979-05-15 | Предприятие П/Я А-7306 | Transformerless transistorized push-pull amplifier of ab class |
SU873384A1 (en) * | 1980-02-18 | 1981-10-15 | Севастопольский Приборостроительный Институт | Amplification device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2016521102A (en) | Envelope tracker with variable boost power supply voltage | |
JP2008219620A (en) | Transmission power control circuit | |
US9660586B2 (en) | Class D switching amplifier and method of controlling a loudspeaker | |
EP3667905A1 (en) | Improved efficiency for linear amplifier of envelope tracking modulator | |
CN216721300U (en) | Stabilizing circuit of frequency compensation circuit with self-adaptive load change | |
US20110140761A1 (en) | Power amplification device, and transmission device and communication device using same | |
RU2527185C1 (en) | Class av two-step amplifier | |
CN114006610A (en) | Stabilizing circuit of frequency compensation circuit with self-adaptive load change | |
Torfifard et al. | A Power‐Efficient CMOS Adaptive Biasing Operational Transconductance Amplifier | |
KR20170094427A (en) | Active rc filters | |
US20160094188A1 (en) | Power amplifying apparatus and power amplifying method | |
US20170214365A1 (en) | Audio amplifier | |
US8937507B2 (en) | Self oscillating modulator | |
CN109104194A (en) | A kind of digital analog converter and digital power amplifier subsystem | |
CA3063958A1 (en) | Inverter-based differential amplifier | |
RU2439778C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
CN109599868B (en) | Control system and method for output current of active filter | |
US20080315951A1 (en) | Class ab differential amplifier with output stage common mode feedback | |
CN104113294A (en) | Voltage controlled amplifier and method of using the same | |
JP2017519437A (en) | Class AB amplifier with bias control | |
JP2013201600A (en) | Automatic gain control circuit | |
JP2012151539A (en) | Transmission power control circuit | |
CN111130467A (en) | Self-oscillation suppression device and method for power amplification circuit | |
RU2421886C1 (en) | Differential amplifier with symmetric output | |
JP2015119304A (en) | Amplifier circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160524 |