электронная схема преобразования сигнала и усилитель, содержащий указанную схему

Формула изобретения

1. Электронная схема преобразования входящего электрического сигнала (In), содержащая по меньшей мере два транзистора с дополнительными полярностями, выполненные с общим стоком; средства управления (2) транзисторами, выполненные с возможностью генерирования сигнала управления (13), единого для затворов указанных выше транзисторов; выходную цепь (14), соединенную с истоками указанных выше транзисторов, отличающаяся тем, что средства управления включают в себя заграждающий фильтр (10), адаптирующий сигнал управления и запитываемый от источника питания высокого напряжения (V₁) и опорного напряжения, при этом источником питания опорного напряжения является выходная цепь (14).

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что она включает в себя модулятор (1) ширины импульса, выполненный с возможностью преобразовывать входящий (In) сигнал (PWM) с модулированной шириной импульса, регулируемый при помощи средств управления (2).

3. Схема по п.1 или 2, отличающаяся тем, что средства управления включают в себя преобразователь уровня, состоящий из компаратора (9), подключенного со стороны входа к модулятору ширины импульса таким образом, чтобы на его инвертирующий вход поступал сигнал (PWM) и чтобы на его неинвертирующий вход поступал сигнал обратный сигналу (PWM), и подключенного со стороны выхода ко входу заграждающего фильтра (10).

4. Схема по п.3, отличающаяся тем, что компаратор (9) содержит источник питания высокого напряжения, состоящий из источника питания высокого напряжения V₁ и источника питания низкого напряжения, образованного выходной цепью (14).

5. Схема по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что средства управления включают в себя на выходе цепь поляризации (12), выход которой соединен с генератором (11) напряжения постоянного тока и с затворами транзисторов.

6. Схема по п.5, отличающаяся тем, что соединение между затворами транзисторов на выходе схемы поляризации (2) осуществляется через схему адаптации (3) уровня.

7. Схема по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что она включает в себя фильтр (6) для фильтрации выходного сигнала (out).

8. Усилитель мощности с прерыванием обратной связи по напряжению, отличающийся тем, что он включает в себя схему по любому из пп.1-7.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается электронной цепи преобразования входящего электрического сигнала.

Оно касается также усилителя мощности с прерыванием системы обратной связи по напряжению.

Изобретение, в частности, может найти применение в области преобразования уровня электрических сигналов.

В частности, при осуществлении настоящего изобретения появляется возможность обеспечения усиления звуковых сигналов высокой точности, а также управления электрооборудованием, особенно при моторизации в робототехнике.

В области усиления звукового сигнала в современных усилителях в основном используют одну из двух описанных ниже технологий.

Первая технология состоит в использовании двух дополнительных МОП-транзисторов (полевых транзисторов на основе перехода металл-окись кремния-полупроводник), изготовленных по принципу общего истока.

Несмотря на хорошее качество звука, получаемое при использовании подобных схем, последнее не позволяет получить требуемый коэффициент усиления по мощности.

Вторая технология касается использования двух МОП-транзисторов с каналом N, собранных в схему по принципу общего полюса. Один из указанных транзисторов смонтирован с общим стоком, а другой - с общим истоком.

Ввиду высокой надежности такой тип монтажа успешно применяется в настоящее время в усилителях звукового сигнала класса D (усилители мощности с прерыванием).

Основной недостаток схем с общим полюсом связан с управлением транзисторами.

В самом деле, затвор МОП-транзистора с каналом N должен управляться двумя сигналами, поступающими от разных источников.

При этом возникают проблемы синхронизации сигналов управления. Исходя из того, что вероятность их одновременного появления является практически нулевой, регистрируют наличие пиков тока во время коммутации.

Действительно, при таком соединении оба транзистора могут быть одновременно активными в течение короткого промежутка времени, что иногда приводит к тому, что пиковые значения тока могут достигать нескольких сотен ампер.

Конечно, наличие указанных пиков тока снижает как коэффициент полезного действия (КПД) системы, так и ее надежность.

Чтобы избежать возникновения пиков тока при коммутации, широко применяют паузу в момент коммутации.

Таким образом, удается избежать возникновения пиков тока, однако указанный процесс имеет другие негативные последствия.

В самом деле, введение паузы приводит к искажению полезного сигнала.

Кроме того, наличие паузы не решает проблемы потери равновесия внутри схемы с общим полюсом: транзисторы включены в указанную схему не симметрично, так как один из них включен по схеме с общим стоком, а другой - с общим истоком.

Следовательно, современные усилители полностью не удовлетворяют существующим требованиям, так как не позволяют найти компромиссного решения между КПД системы и точностью, полученной при усилении.

Что касается технологий, близких к разработанным ранее, то известен французский патент FR-А-2779293, относящийся к выходной цепи с использованием транзисторов, которая вырабатывает напряжение выше напряжения пробоя двух nМОП и рМОП транзисторов, применяемых для формирования выходной цепи и соединенных последовательно, причем их затворы соединены друг с другом. Цепь управления напряжением подключена к затворам и истокам этих транзисторов. Цепь управления напряжением получает энергию от источников питания высокого и низкого напряжения. Цепь управления напряжением подает промежуточное опорное напряжение на затворы транзисторов. Затем, в ответ на входящий сигнал, цепь управления напряжением осуществляет управление величинами напряжения, подаваемыми на истоки транзисторов.

Такая схема не дает реального преимущества по сравнению со схемой по принципу схемы с общим полюсом, с учетом того, что оба сигнала управления все еще остаются необходимыми.

Кроме того, речь идет только о схемах с общим истоком.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков современных устройств и, в первую очередь, создание схемы, обеспечивающей одновременно высокий КПД усиления и высокое качество полученного сигнала.

Одно из основных преимуществ изобретения состоит в наличии одного единственного источника управления затворами, что позволяет избежать проблем, возникающих при коммутации.

Удается исключить полностью или частично явление пиков токов, что позволяет существенно уменьшить потери от указанного явления без возникновения искажений, как в случае с включением паузы.

При явно уменьшенных потерях открываются широкие возможности применения настоящего изобретения для получения высокого КПД при интеграции устройства в виде модулей или гибридных цепей со слабой перегрузкой и, следовательно, большего значения отношения мощности к динамическому диапазону при улучшенных динамических характеристиках.

Другим преимуществом изобретения является разработка средств управления, формирующих источник управления затворами, а также транзисторами без использования развязывающего трансформатора.

В результате снимаются ограничения, вызванные применением развязывающего трансформатора, и становится возможным неограниченное прохождение циклического отношения.

Изложенные выше преимущества предусматривают возможность многочисленных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Другие цели и преимущества будут рассмотрены в рамках последующего описания, которое, однако, приводится только в виде примера, а не ограничения изобретения.

Настоящее изобретение касается электронной схемы преобразования электрического входного сигнала, включающей в себя следующие элементы:

по меньшей мере два транзистора с дополнительной полярностью, выполненные с общим стоком,

средства управления транзисторами, позволяющие генерировать сигнал управления, один для всех затворов указанных выше транзисторов,

выходную цепь, соединенную с истоками указанных выше транзисторов.

Ниже сформулированы различные варианты данной схемы.

Дополнительными транзисторами являются полевые транзисторы, выполненные по технологии МОП: один с каналом N, а другой с каналом P.

Схема содержит модулятор ширины импульса, позволяющий преобразовывать входящий сигнал в сигнал с модулированной шириной импульса, обрабатываемый при помощи средств управления.

Средства управления, включающие в себя заграждающий фильтр, генерирующий сигнал управления и запитываемый от источника питания высокого напряжения и источника питания опорного напряжения.

Источником питания опорного напряжения является выходная цепь.

Средства управления, включающие в себя преобразователь уровня, состоящий из компаратора, подключенного со стороны входа к модулятору ширины импульса таким образом, чтобы на его инвертирующий вход поступал сигнал с модулированной шириной импульса (PWM), а на его неинвертирующий вход - инверсный сигнал, обратный сигналу с модулированной шириной импульса, а со стороны выхода - ко входу заграждающего фильтра.

Компаратор с источником питания высокого напряжения, состоящего из источника питания высокого напряжения и источника питания низкого напряжения, образованного выходной цепью.

Средства управления содержат на выходе цепь поляризации, соединенную на выходе с генератором постоянного тока и с затворами транзисторов.

Соединение между затворами транзисторов на выходе цепи поляризации осуществляется через пассивную цепь адаптации уровня.

Схема содержит фильтр для фильтрации выходного сигнала.

Изобретение касается также усилителя мощности с прерыванием обратной связи по напряжению, содержащего схему согласно изобретению.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:

фиг.1 изображает основную функциональную электронную схему согласно изобретению;

фиг.2 - пример лучшего варианта осуществления схемы согласно изобретению.

Предлагаемый усилитель является усилителем класса D с прерыванием обратной связи по напряжению. Схема, реализующая указанный усилитель, включает в себя, по меньшей мере, два транзистора, осуществляющие преобразование уровня входного сигнала. Несмотря на то, что для этого специально предусмотрены полевые транзисторы МОП технологии (со структурой металл-оксид кремния), изобретение не ограничивается ими, и могут быть использованы другие типы транзисторов (например, биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, квантовые транзисторы).

Ниже приводится описание предпочтительного варианта осуществления изобретения на основе полевых транзисторов, выполненных по МОП технологии, в дальнейшем называемых МОП-транзисторами.

Как известно, в усилителях класса D усиливаемый сигнал поступает на модулятор 1 ширины импульса схемы.

Как показано на фиг.1, модулятор 1 генерирует сигнал прямоугольной формы с модулированной шириной импульса (PWM). Согласно изобретению указанный сигнал PWM и дополнительный сигнал , полученный любыми известными способами инверсии, представляют собой входные сигналы, поступающие на средства управления, обозначенные на фиг.2 цифрой 1.

На данной фигуре схематично показано, что при помощи сигналов PWM и запитываемые от источника питания высокого напряжения V ₂ средства управления 2 формируют на выходе сигнал управления 13.

Сигнал управления 13 осуществляет управление затвором двух транзисторов, обозначенных цифрами 4 и 5. Пассивная сеть 3 может соединять оба затвора для осуществления адаптации уровня.

Транзисторы 4, 5 имеют дополнительные полярности.

В случае МОП-транзисторов одна из указанных полярностей имеет тип Канала N4, а другая - тип Канала Р5.

Обеспечение энергией осуществляется между точкой приложения высокого напряжения V _p, подаваемого на сток транзистора 4, и точкой заземления G, подключенной к стоку транзистора 5.

На выходе желательно поместить фильтр. В общепринятой практике при работе со звуковыми сигналами может быть использован, например, фильтр нижних частот емкостно-индуктивной структуры.

Следует отметить, что, согласно изобретению, сигнал 13 является единственным сигналом управления затвором транзисторов 4, 5. Таким образом, решают проблему пиков, возникших ранее при коммутации.

Кроме того, оказывается, что выходная цепь 14 соединена с истоками транзисторов 4, 5.

Полученный в схеме выходной сигнал обозначен на фиг.1 термином OUT.

Ниже приводится более подробное описание варианта осуществления изобретения согласно фиг.2.

На ней представлен предпочтительный пример выполнения средства управления 2.

Основу средства управления составляет заграждающий фильтр 10, который позволяет сформировать совместимый сигнал управления.

На его вход поступает сигнал с модулированной шириной импульса. Его питание обеспечивается источником высокого напряжения V₁ и опорным напряжением.

Согласно отличительному признаку изобретения опорное напряжение снимают с выходной цепи 14. Заграждающий фильтр 10 оказывается, таким образом, соединенным с узлом N1, общим для двух истоков транзисторов 4, 5.

На выходе заграждающего фильтра 10 предусмотрена цепь поляризации 12. Она дает возможность зафиксировать точку статического функционирования цепи.

На выходе узел N2 соединяет затворы транзисторов 4, 5. Генератор 11 генерирует электрический сигнал постоянного тока и устанавливает низкое напряжение V₂ для питания системы управления. Другим преимуществом предлагаемой схемы согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения является использование специально разработанного преобразователя уровня.

С этой целью средства управления 2 будут включать в себя после заграждающего фильтра 10 компаратор 9, как показано на фиг.2.

Как было проиллюстрировано, питание компаратора 9 является аналогичным или производным по сравнению с питанием заграждающего фильтра 10 между высоким напряжением V₁ и опорным напряжением, образованным выходной цепью 14.

На инвертирующие и на неинвертирующие входы компаратора поступают соответственно сигналы PWM и .

Применение такой системы для осуществления преобразования уровня выгодна по сравнению с использованием развязывающего трансформатора, так как она позволяет осуществлять прохождение неограниченных циклических сообщений.

Следует отметить, что схема, согласно изобретению, и усилитель на ее основе могут иметь существенно меньше перегрузки по сравнению с возможностями усиления.

На фиг.2 показан также вариант выполнения фильтра 6.

Ссылки

1. Модулятор ширины импульсов

2. Средство управления

3. Система соединения затворов

4. Транзистор

5. Транзистор

6. Фильтр

7. 8. Входы средства управления

9. Компаратор

10. Заграждающий фильтр

11. Генератор

12. Система поляризации

13. Сигнал управления

14. Линия выхода

in: входной сигнал

out: выходной сигнал

V₁: высокое напряжение питания управления

V₂: низкое напряжение питания управления

V_p: высокое напряжение источника питания

G: заземление мощности

N1: узел 1

N2: узел 2

PWM: сигнал с модулированной шириной импульса