двухканальный усилитель класса d
Классы МПК: | H03F3/217 усилители мощности класса D; коммутационные усилители H03F3/20 усилители мощности, например усилители, работающие в режиме класса B или класса C H03F3/26 двухтактные усилители; фазовращатели для них H03K17/60 представляющих собой биполярные транзисторы |
Автор(ы): | Александров В.А., Майоров В.А., Полканов К.И. |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-01-29 публикация патента:
27.08.2002 |
Использование: в устройствах усилительной и генераторной техники для широкополосных передающих трактов звукового диапазона частот. Двухканальный усилитель класса D содержит парафазный широтно-импульсный преобразователь (1), два ключевых усилителя мощности (КУМ) (2, 3), выходы которых через дроссели (4, 5) и трансформаторы (7, 8) соединены последовательно и подключены к конденсатору (К) (6) фильтра. Дополнительный К (9) обеспечивает параллельное соединение выходов КУМ (2, 3), чем достигается реализация режима усиления класса ABD, характеризующегося высокой эффективностью и малыми искажениями выходных сигналов. Технический результат: повышение энергетической эффективности и надежности работы при улучшении характеристик качества выходных сигналов двухканального усилителя класса D. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Двухканальный усилитель класса D, содержащий парафазный широтно-импульсный преобразователь, вход которого соединен с входной шиной устройства, два ключевых усилителя мощности, шины электропитания которых соединены параллельно и подключены к шинам положительного и отрицательного напряжения электропитания, входы соединены с соответствующими выходами парафазного широтно-импульсного преобразователя, а выходы соединены с первыми выводами первого и второго дросселей соответственно, а также первый конденсатор, подключенный первым и вторым выводами к выходным шинам устройства, отличающийся тем, что введены второй конденсатор и два трансформатора, причем вторые выводы дросселей подключены к первым выводам первичных обмоток соответствующих трансформаторов, вторые выводы которых подключены к общей шине электропитания, при этом вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и включены между первым и вторым выводами первого конденсатора, а второй конденсатор включен первым и вторым выводами между вторыми выводами дросселей.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и звукоподводной связи. Известны усилители класса D [1, 2], использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот. Реализация методов ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку. Потери мощности в ключевых усилителях, как правило, не превышают 0,1 от полной выходной мощности РZ=UH






























V1=E sign[U(t)-UП1(t)],
V2=E sign[U(t)-UП2(t)]. Импульсные напряжения V1, V2 подаются на входы соответствующих дросселей 4, 5, через которые замыкаются низкочастотные и высокочастотные составляющие тока. Амплитуда НЧ тока IНЧ определяется относительной амплитудой входного сигнала m=UM/UПМ, напряжением питания Е и импедансом нагрузки ZН:
IНЧ=Еm/ZН. Максимальная амплитуда ВЧ тока IВЧМ имеет место при минимальном входном сигнале и определяется выражением
IВЧМ=E/4fL,
где L - индуктивность дросселя 4, 5. Высокочастотные составляющие тока дросселей 4, 5 при малых уровнях сигнала взаимно противофазные, чем достигается значительное уменьшение высокочастотных составляющих выходного напряжения, формируемого на конденсаторе 6 фильтра. Указанное преимущество выгодно отличает устройство-прототип от известных одноканальных усилителей с ШИМ в режиме AD. Вместе с тем в двухканальном усилителе с ШИМ сохраняются преимущества режима AD, а именно наличие ВЧ тока при малых уровнях сигнала обеспечивает линейность амплитудной характеристики и минимизацию гармонических искажений малых выходных напряжений на уровне 2-3%. В свою очередь компенсацией ВЧ составляющих тока отдельных каналов достигаются малые пульсации выходного напряжения и расширение динамического диапазона до 40-50 дБ. Наряду с выделенными преимуществами устройство-прототип имеет недостатки, присущие одноканальным усилителям в режиме AD. Импульсные напряжения с одноканальной ШИМ для каждого канала усилителя фильтруются отдельным ФНЧ. При этом сохраняются требования отношения частот









Соответственно, отношение частоты переключений в каналах усиления к верхней частоте усиливаемого сигнала должно быть не менее 20. Отмеченное условие приводит к необходимости повышения частоты переключений и, соответственно, к возрастанию динамических потерь энергии, и, соответственно, к уменьшению КПД устройства. Дополнительно, параллельное сложение выходных сигналов каналов усиления, реализованное в устройстве-прототипе, приводит к разбалансу выходных токов ключевых усилителей мощности. Так как ключевые элементы имеют весьма малые собственные остаточные напряжения V0/Е=0,01-0,03, то даже незначительный разбаланс в длительности импульсных процессов, например 2-4%, приводит к существенному разбалансу низкочастотных выходных токов более чем на 20-50%. Наличие такого разбаланса приводит к разной токовой загрузке ключевых элементов КУМ и, как следствие, к понижению надежности их работы. Таким образом, устройство-прототип характеризуется пониженной эффективностью и надежностью работы, что ограничивает область его применения в передающих трактах. Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы при улучшении характеристик качества выходных сигналов двухканального ключевого усилителя класса D. Для решения поставленной задачи в известный двухканальный усилитель класса D, содержащий парафазный широтно-импульсный преобразователь, вход которого соединен с входной шиной устройства, а выходы - с соответствующими входами двух ключевых усилителей мощности, выполненных на полумостовых схемах, шины электропитания которых соединены параллельно и подключены к шинам положительного и отрицательного напряжения, выходы ключевых усилителей соединены параллельно через первый и второй дроссели, подключенные к конденсатору и выходным шинам устройства, дополнительно введены два трансформатора и дополнительный конденсатор, причем выводы первого и второго дросселей отключены от конденсатора и подключены к первым выводам первичных обмоток соответствующих трансформаторов, вторые выводы которых подключены к общей шине электропитания, в свою очередь вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и включены между выводами конденсатора и выходными шинами устройства, а дополнительный конденсатор включен между выводами первого и второго дросселей. Техническим результатом от использования предложенных решений является повышение энергетической эффективности и надежности работы посредством реализации режима класса ABD при последовательном сложении выходных сигналов каналов ключевого усиления. При этом в заявленном устройстве устраняется разбаланс токов каналов усиления, реализуются преимущества двухканальной ШИМ, позволяющие обеспечить понижение частоты переключений при улучшении характеристик качества выходных сигналов. Структурная схема предлагаемого устройства и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу, представлены на фиг.1 и фиг.3. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг.2. Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит парафазный ШИП 1, два ключевых усилителя КУМ 2, КУМ 3, дроссели 4, 5, конденсатор 6, а также два трансформатора 7, 8 и дополнительный конденсатор 9. Блоки предлагаемого технического решения выполняются по известным правилам, ключевые усилители мощности могут быть реализованы в соответствии с патентом США 4115740. Работа предлагаемого двухканального ключевого усилителя класса D осуществляется следующим образом. В парафазном ШИП 1 по результату сравнения с противофазными пилообразными напряжениями UП1, UП2 усиливаемый сигнал U преобразуется в две последовательности широтно-модулированных импульсов, которые поступают на входы управления КУМ 2, 3. В результате на выходах КУМ 2, 3 формируются знакопеременные импульсные напряжения V1, V2 амплитудой Е, модулированные по длительности:
V1=E sign[U(t)-[UП1(t)],
V2=E sign[U(t)-UП2(t)]. Импульсные напряжения V1, V2 через соответствующие дроссели 4, 5 и трансформаторы 7, 8 складываются последовательно и подключаются к выходному конденсатору 6 и выходным шинам устройства. Такое сложение эквивалентно подключению суммарного напряжения V через фильтр нижних частот второго порядка Lф Сф к нагрузке. Для коэффициента трансформации КТ суммарное напряжение V, приведенное к вторичным обмоткам, равно:
V=KТ(V1+V2). Параметры фильтра нижних частот в цепи нагрузки определяются индуктивностью L дросселей 4, 5 и емкостью С конденсатора 6:
Lф=2LКТ 2, Сф=С. Необходимо отметить, что включение дополнительного конденсатора 9 практически не влияет на характеристики выходного фильтра на полезных составляющих частот усиливаемого сигнала. Это обстоятельство объясняется тем, что НЧ составляющие напряжений V1, V2, определяемые усиливаемым сигналом, синфазны и равны по амплитуде. Следовательно, через конденсатор 9 НЧ составляющие тока практически не замыкаются. В свою очередь, при двухканальной ШИМ высокочастотные составляющие с частотами осцилляции, группирующимися вокруг первой гармоники частоты переключений, в спектрах импульсных напряжений V1 и V2 взаимно противофазны. Соответственно, конденсатор 9 обеспечивает протекание высокочастотного тока через ключевые элементы КУМ 2 и 3, в том числе при малых уровнях модуляции (при малых уровнях усиливаемого сигнала). При больших уровнях модуляции высокочастотная составляющая выходного тока значительно уменьшается. Таким образом, в предлагаемом устройстве при малых уровнях усиливаемого сигнала ток замыкается поочередно через ключевые элементы аналогично режиму AD, а при больших уровнях достигается последовательное сложение импульсных напряжений аналогично режиму BD. Такой режим работы может быть определен как режим класса ABD, характеризующийся улучшенными энергетическими характеристиками и показателями качества выходных сигналов. Преимуществом режима класса ABD, реализованном в предлагаемом устройстве, является последовательное сложение импульсных напряжений, что позволяет в полной мере использовать достоинства двухканальной ШИМ. Частота изменения суммарного импульсного сигнала вдвое превосходит частоту переключений отдельных каналов усиления при в два раза большем относительном уровне полезных НЧ составляющих в спектре сигнала, приведенного ко входу ФНЧ. Выделенное преимущество заявляемого технического решения позволяет практически в 1,5-2 раза снизить частоту переключений в каналах ключевого усиления, чем достигается соответственное уменьшение динамических потерь энергии. При этом наличие ВЧ составляющих тока через ключевые элементы при малых уровнях усиливаемого сигнала, обусловленное включением дополнительного конденсатора 9, позволяет устранить искажения амплитудной характеристики и обеспечение малых искажений при расширении динамического диапазона усиливаемых сигналов. Таким образом, в предлагаемом двухканальном усилителе класса D включение дополнительного конденсатора и трансформаторов обеспечивает перспективный режим класса ABD при последовательном сложении сигналов с двухканальной ШИМ. Последовательное включение каналов КУМ обеспечивает равенство НЧ выходного тока, что выгодно отличает предлагаемое устройство и обеспечивает повышение надежности его работы по сравнению с устройством-прототипом. Неидентичность максимальных амплитуд выходного тока КУМ в устройстве-прототипе достигает 50-70%, а в предлагаемом устройстве не превышает 10%, чем достигается запас использования ключевых элементов по току и, следовательно, повышение надежности их функционирования. Реализация режима ABD обеспечивает возможность понижения частоты переключений в 1,5-2 раза при улучшении характеристик качества выходного сигнала. Совокупность преимуществ предлагаемого устройства, обеспечиваемая введением новых элементов и связей, достигает решения задачи изобретения. Так, если известные усилительные устройства класса D при диапазоне частот усиливаемых сигналов 20 кГц имеют КПД не более 80-85% при нелинейных искажениях более 3% и динамическом диапазоне менее 40 дБ, то в предлагаемом устройстве обеспечивается КПД порядка 90-93%, нелинейные искажения не более 1% и динамический диапазон свыше 50 дБ. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявленного технического решения, что позволяет рекомендовать предлагаемое устройство к внедрению в передающие тракты радиовещания и звукоподводной связи. Литература
1. Артым А. Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, с.207. 2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980, с. 232. 3. Алексанян А. А. , Галахов В.А. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с ШИМ. Радиотехника, 1986, 10. 4. А.с. 1438583, Ключевой регулятор. Н 03 К 7/02. Публ. 30.12.1990.
Класс H03F3/217 усилители мощности класса D; коммутационные усилители
Класс H03F3/20 усилители мощности, например усилители, работающие в режиме класса B или класса C
Класс H03F3/26 двухтактные усилители; фазовращатели для них
двухтактный усилитель класса ав - патент 2527185 (27.08.2014) | ![]() |
буферный усилитель - патент 2446553 (27.03.2012) | ![]() |
комплементарный буферный усилитель - патент 2444115 (27.02.2012) | ![]() |
операционный усилитель с низкоомной нагрузкой - патент 2444114 (27.02.2012) | ![]() |
интегральный операционный усилитель с токовой обратной связью - патент 2436224 (10.12.2011) | ![]() |
прецизионный операционный усилитель - патент 2411643 (10.02.2011) | ![]() |
буферный усилитель - патент 2409889 (20.01.2011) | ![]() |
буферный усилитель - патент 2401509 (10.10.2010) | |
буферный усилитель с малым напряжением смещения нуля - патент 2401505 (10.10.2010) | |
радиационно-стойкий буферный усилитель - патент 2393625 (27.06.2010) | ![]() |
Класс H03K17/60 представляющих собой биполярные транзисторы