RU2771479C1

RU2771479C1 - Symmetric feedback amplifier

Info

Publication number: RU2771479C1
Application number: RU2021113502A
Authority: RU
Inventors: Леонид Анатольевич Бурцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ТРИУМФ АУДИО"
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2022-05-04

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, namely to amplifiers made on electronic components with feedback. A symmetrical feedback amplifier containing the first and second operational amplifiers, resistors, contains in each arm an input operational amplifier, the output of which is connected to its inverting input through a resistor forming a negative feedback. The amplifier contains a capacitor that provides protection against the direct component of the signal, and the secondary winding of the transformer, the primary winding of which is connected to a resistor - a current sensor, which is in the output circuit of the second operational amplifier operating in the repeater mode, and the current sensor and the transformer form a negative current feedback.

EFFECT: increase in the depth of feedback and a decrease in the nonlinearity of the output signal are achieved.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к усилителям, выполненным на электронных компонентах с обратной связью [H03F 1/32, H03F 1/34, H03F 1/36, H03F 3/45].The invention relates to radio engineering, namely to amplifiers made on electronic components with feedback [H03F 1/32, H03F 1/34, H03F 1/36, H03F 3/45].

Из уровня техники известен УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ [RU 2007846 C1, опубл. 15.02.1994], содержащий дифференциальный усилитель, первый вход и выход которого являются соответственно входом и выходом усилителя напряжения, а второй вход дифференциального усилителя соединен с выходом блока выделения сигнала ошибки, входы которого подключены соответственно к первому входу дифференциального усилителя и выходу аттенюатора, подключенного к выходу дифференциального усилителя, отличающийся тем, что с целью повышения точности компенсации, блок выделения сигнала ошибки выполнен на последовательно соединенных компараторе напряжений с двухполярным выходным напряжением и фильтре нижних частот.Known from the prior art VOLTAGE AMPLIFIER COMPENSATED BIAS VOLTAGE [EN 2007846 C1, publ. February 15, 1994], containing a differential amplifier, the first input and output of which are respectively the input and output of the voltage amplifier, and the second input of the differential amplifier is connected to the output of the error signal extraction unit, the inputs of which are connected respectively to the first input of the differential amplifier and the output of the attenuator connected to output of a differential amplifier, characterized in that, in order to improve the accuracy of compensation, the error signal extraction unit is made on a series-connected voltage comparator with a bipolar output voltage and a low-pass filter.

Недостатком аналога является малый коэффициент усиления по току и малая глубина обратной связи.The disadvantage of the analog is a low current gain and a small depth of feedback.

Также известен ИНВЕРТИРУЮЩИЙ МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ЧАСТОТНОЙ ПОГРЕШНОСТИ [RU 2627123 C1, опубл. 03.08.2017], характеризующийся тем, что состоит из первого операционного усилителя, между выходом которого и входом устройства включены первый и второй аналогичные делители из резисторов обратной связи и входных резисторов, общая точка резисторов первого делителя соединена с инверсным входом первого операционного усилителя, неинверсный вход первого операционного усилителя соединен с общей нулевой шиной устройства, второго операционного усилителя, между выходом и инверсным входом которого включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, общая точка резисторов второго делителя подключена к инверсному входу второго операционного усилителя, при этом между выходом первого операционного усилителя и неинверсным входом второго операционного усилителя включен резистор, аналогичный резистору обратной связи первого операционного усилителя, а между неинверсным входом второго операционного усилителя и общей нулевой шиной устройства включен резистор с сопротивлением, аналогичным параллельно соединенным входному резистору и резистору обратной связи первого операционного усилителя, выход второго операционного усилителя является выходом устройства.Also known INVERTER SCALE AMPLIFIER COMPENSATED FREQUENCY ERROR [EN 2627123 C1, publ. 08/03/2017], characterized in that it consists of the first operational amplifier, between the output of which and the input of the device the first and second similar dividers of feedback resistors and input resistors are connected, the common point of the resistors of the first divider is connected to the inverse input of the first operational amplifier, non-inverse input of the first operational amplifier is connected to a common zero bus of the device, the second operational amplifier, between the output and the inverse input of which a resistor is connected, similar to the feedback resistor of the first operational amplifier, the common point of the resistors of the second divider is connected to the inverse input of the second operational amplifier, while between the output of the first operational amplifier amplifier and the non-inverse input of the second operational amplifier, a resistor is connected, similar to the feedback resistor of the first operational amplifier, and a resistor with resistance is connected between the non-inverse input of the second operational amplifier and the common zero bus of the device. Similar to the input resistor and feedback resistor of the first operational amplifier connected in parallel, the output of the second operational amplifier is the output of the device.

Недостатком аналога является нелинейность выходного сигнала, обусловленная малой глубиной обратной связи.The disadvantage of the analogue is the non-linearity of the output signal due to the small depth of feedback.

Наиболее близким по технической сущности является ИНВЕРТИРУЮЩИЙ МАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ [RU 2715471 C1, опубл. 28.02.2020], содержащий первый и второй операционные усилители, первый, второй и третий аналогичные резистивные делители, а также регулировочный резистор, первый и второй делители включены между входом и выходом устройства, третий делитель включен между выходом второго операционного усилителя и общей шиной устройства, общая точка резисторов первого делителя соединена с инверсным входом первого операционного усилителя, неинверсный вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной устройства, отличающийся тем, что общая точка резисторов второго делителя соединена с неинверсным входом второго операционного усилителя, а общая точка резисторов третьего делителя - с его инверсным входом, регулировочный резистор включен между выходом второго операционного усилителя и инверсным входом первого операционного усилителя, выход первого операционного усилителя является выходом устройства.The closest in technical essence is an INVERTER SCALE AMPLIFIER WITH ADJUSTABLE DEGREE [RU 2715471 C1, publ. 02/28/2020], containing the first and second operational amplifiers, the first, second and third similar resistive dividers, as well as an adjusting resistor, the first and second dividers are connected between the input and output of the device, the third divider is connected between the output of the second operational amplifier and the common bus of the device, the common point of the resistors of the first divider is connected to the inverse input of the first operational amplifier, the non-inverse input of the first operational amplifier is connected to the common bus of the device, characterized in that the common point of the resistors of the second divider is connected to the non-inverse input of the second operational amplifier, and the common point of the resistors of the third divider is connected to its inverted input, the adjusting resistor is connected between the output of the second operational amplifier and the inverse input of the first operational amplifier, the output of the first operational amplifier is the output of the device.

Технической проблемой прототипа является низкий уровень преобразования входного сигнала, обусловленный малым коэффициентом усиления по току и напряжению, ограниченный параметрами источника сигнала и собственного коэффициента усиления усилителя напряжения, а также малой глубиной обратной связи.The technical problem of the prototype is the low level of input signal conversion, due to the low current and voltage gain, limited by the parameters of the signal source and its own gain of the voltage amplifier, as well as a small feedback depth.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype.

Техническим результатом изобретения является повышение глубины обратной связи и снижение нелинейности выходного сигнала.The technical result of the invention is to increase the depth of feedback and reduce the non-linearity of the output signal.

Указанный технический результат достигается за счет того, что симметричный усилитель с обратной связью, содержащий первый и второй операционные усилители, резисторы, отличающийся тем, что содержит в каждом плече входной операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом через резистор, образующий отрицательную обратную связь; содержащий конденсатор, обеспечивающий защиту от постоянной составляющей сигнала, и вторичную обмотку трансформатора, первичная обмотка которого подключена к резистору – датчику тока, стоящему в цепи выхода второго операционного усилителя, работающего в режиме повторителя, причем датчик тока и трансформатор образуют отрицательную обратную связь по току. The specified technical result is achieved due to the fact that a symmetrical feedback amplifier containing the first and second operational amplifiers, resistors, characterized in that it contains an input operational amplifier in each arm, the output of which is connected to its inverting input through a resistor that forms a negative feedback ; containing a capacitor that provides protection against the constant component of the signal, and the secondary winding of the transformer, the primary winding of which is connected to the resistor - current sensor, which is in the output circuit of the second operational amplifier operating in the repeater mode, and the current sensor and the transformer form a negative current feedback.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

На чертеже показан симметричный усилитель с обратной связью, на которой обозначено: 1 – источник входного сигнала, 2 - входные операционные усилители, 3, 4 - резисторы обратной связи, 5 - конденсаторы, 6 - выходные операционные усилители, 7 - трансформатор, 8 – датчик тока, 9 - резистор, 10 – приемник выходного сигнала. The drawing shows a balanced feedback amplifier, which indicates: 1 - input signal source, 2 - input operational amplifiers, 3, 4 - feedback resistors, 5 - capacitors, 6 - output operational amplifiers, 7 - transformer, 8 - sensor current, 9 - resistor, 10 - output signal receiver.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Симметричный усилитель с обратной связью содержит в каждом плече входной операционный усилитель 2, к прямому входу которого подключен источник входного сигнала 1. The symmetrical feedback amplifier contains an input operational amplifier 2 in each arm, to the direct input of which the input signal source 1 is connected.

Выход операционного усилителя 2 соединен с прямым входом операционного усилителя 6 и цепью отрицательной обратной связи, образованной резисторами 3, 4, конденсатором 5 и вторичными обмотками трансформатора 7. В выходной цепи операционных усилителей 6 находятся приемник выходного сигнала 10 и датчик тока 8, параллельно которому подключена первичная обмотка трансформатора 7. The output of the operational amplifier 2 is connected to the direct input of the operational amplifier 6 and a negative feedback circuit formed by resistors 3, 4, a capacitor 5 and the secondary windings of the transformer 7. In the output circuit of the operational amplifiers 6 there is an output signal receiver 10 and a current sensor 8, in parallel to which is connected primary winding of the transformer 7.

Такое техническое решение обеспечивает реализацию усилителя с симметричной архитектурой и симметричным входом по схеме источника тока, управляемого напряжением (схема ИТУН).Such a technical solution provides for the implementation of an amplifier with a symmetrical architecture and a symmetrical input according to the voltage controlled current source circuit (ITUN circuit).

Схема ИТУН оправдывает себя при работе на однополосные или двухполосные системы с простейшими фильтрами не выше первого порядка (конденсатор последовательно твиттеру). The ITUN scheme justifies itself when working on single-band or two-band systems with the simplest filters no higher than the first order (the capacitor is in series with the tweeter).

При необходимости на схеме чертежа перед входом приемника выходного сигнала 10 может быть добавлен резистор 9, выполняющий роль балластной нагрузки, которая сглаживает нелинейность импеданса динамической колонки. Резистор 9 не является необходимым, не влияет на достижение заявленного технического результата и может использоваться в схеме чертежа только для конкретных целей подавления постоянных скачков нагрузки, если возникает такая потребность. If necessary, in the diagram of the drawing, a resistor 9 can be added in front of the input of the output signal receiver 10, which acts as a ballast load, which smoothes out the non-linearity of the dynamic speaker impedance. Resistor 9 is not necessary, does not affect the achievement of the claimed technical result and can be used in the drawing circuit only for the specific purpose of suppressing constant load surges, if such a need arises.

Симметричный усилитель с обратной связью используют следующим образом.A symmetrical feedback amplifier is used as follows.

Сигнал с источника входного сигнала 1 подают на неинвертирующий вход операционного усилителя 2. The signal from input source 1 is fed to the non-inverting input of operational amplifier 2.

Операционный усилитель 2 увеличивает входной сигнал по напряжению в соответствии с его коэффициентом усиления в зависимости от номинальных величин резистора обратной связи 3 и резистора 4, образующего, вместе с конденсатором 7 и вторичной обмоткой трансформатора, отрицательную обратную связь операционного усилителя 2. Operational amplifier 2 increases the input voltage signal in accordance with its gain, depending on the nominal values of feedback resistor 3 and resistor 4, which forms, together with capacitor 7 and the secondary winding of the transformer, the negative feedback of operational amplifier 2.

Усиленный по напряжению сигнал с выхода операционного усилителя 2 подают на неинвертирующий вход операционного усилителя 6 с отрицательной обратной связью, на котором за счет прямого соединения петли обратной связи осуществляют увеличение входного сигнала по току. The voltage amplified signal from the output of the operational amplifier 2 is fed to the non-inverting input of the operational amplifier 6 with negative feedback, on which, due to the direct connection of the feedback loop, the input current is increased.

С линии обратной связи операционного усилителя 6 усиленный по току сигнал подают на датчик тока 8. Напряжение с выводов датчика тока 8 подают на первичную обмотку трансформатора 7, с вторичной обмотки которого полученное преобразованное напряжение в соответствии с коэффициентом трансформации подают в петлю обратной связи через резистор обратной связи на инвертирующий вход операционного усилителя 2. From the feedback line of the operational amplifier 6, a current-amplified signal is fed to the current sensor 8. The voltage from the terminals of the current sensor 8 is fed to the primary winding of the transformer 7, from the secondary winding of which the resulting converted voltage, in accordance with the transformation ratio, is fed into the feedback loop through the feedback resistor connection to the inverting input of the operational amplifier 2.

Повышение глубины обратной связи достигается за счет того, что выходные операционные усилители 6 имеют скорость нарастания выходного сигнала существенно ниже, чем входные операционные усилители 2 в силу их специфики работы и конструкции. Кроме того, в моменты отставания выходного сигнала от входного увеличивается коэффициент усиления входных операционных усилителей, и таким образом увеличивается скорость формирования выходного сигнала, что снижает погрешности в работе усилителя. По этой причине снижается и нелинейность схемы. Связано это с тем, что в случае, когда сигнал меняется с большой скоростью, схема ведет обработку с меньшей погрешностью, что и является по сути уменьшением искажений, а следовательно, повышает линейность схемы.Increasing the depth of feedback is achieved due to the fact that the output operational amplifiers 6 have the slew rate of the output signal is significantly lower than the input operational amplifiers 2 due to their specific operation and design. In addition, when the output signal lags behind the input, the gain of the input operational amplifiers increases, and thus the rate of output signal formation increases, which reduces errors in the operation of the amplifier. For this reason, the nonlinearity of the circuit is also reduced. This is due to the fact that in the case when the signal changes at a high speed, the circuit processes with a smaller error, which is essentially a decrease in distortion, and therefore increases the linearity of the circuit.

Коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя 2 происходит в результате снижения глубины операционного усилителя по току в моменты отставания выходного тока от его идеальной формы. В данном случае согласно изобретению мы имеем комбинированную схему обратной связи по напряжению и по току, что создает оптимальный режим работы усилителя и позволяет получить качественно другой звук.The voltage gain of op-amp 2 results from the reduction in current depth of the op-amp when the output current lags behind its ideal shape. In this case, according to the invention, we have a combined voltage and current feedback circuit, which creates the optimal operating mode of the amplifier and allows you to get a qualitatively different sound.

Проверка данной схемы проводилась с использованием колонок S-90, размещенных в актовом зале 600 м². Был изготовлен усилитель согласно схеме, показанной на чертеже.The verification of this scheme was carried out using columns S-90, placed in the assembly hall 600 m ² . The amplifier was manufactured according to the scheme shown in the drawing.

Для контрольного сравнения использовались те же колонки с обычным усилителем - модуль RDC2-0029a (усилитель класса D мощностью 2 × 300 Вт с аналоговыми входами и встроенной замкнутой обратной связью известной как технология PurePath™ Premier от Texas Instruments (TI), построен на микросхеме TAS5630bPHD; стереофонический аналоговый чип с цифровым усилителем Power Stage, см.: https://www.chipdip.ru/product/rdc2-0029a).For a control comparison, the same speakers with a conventional amplifier were used - the RDC2-0029a module (a 2 × 300 W class D amplifier with analog inputs and built-in closed loop feedback known as PurePath™ Premier technology from Texas Instruments (TI), built on a TAS5630bPHD chip; stereo analog chip with Power Stage digital amplifier, see: https://www.chipdip.ru/product/rdc2-0029a).

Для оценки качества звука были приглашены 3 дирижера и 2 композитора.3 conductors and 2 composers were invited to evaluate the sound quality.

Были проиграны 12 мелодий симфонического оркестра.12 melodies of the symphony orchestra were played.

Специалистами звук колонок с усилителем, согласно заявленному изобретению, на слух был оценен как более точный и соответствовал настоящему звуку музыки в том виде, как ее играет живой симфонический оркестр.The sound of speakers with an amplifier, according to the claimed invention, was evaluated by experts as more accurate and corresponded to the real sound of music as it is played by a live symphony orchestra.

Claims

A symmetrical feedback amplifier containing the first and second operational amplifiers, resistors, characterized in that it contains an input operational amplifier in each arm, the output of which is connected to its inverting input through a resistor that forms a negative feedback; containing a capacitor that provides protection against the constant component of the signal, and the secondary winding of the transformer, the primary winding of which is connected to the resistor - current sensor, which is in the output circuit of the second operational amplifier operating in the repeater mode, and the current sensor and the transformer form a negative current feedback.