способ управления силовым каналом усилителя мощности класса d

Формула изобретения

1. Способ управления импульсным усилителем мощности электрических сигналов, заключающийся в том, что с помощью первого транзисторного ключа формируют импульсы положительной полярности и постоянной длительности, либо с помощью второго транзисторного ключа формируют импульсы отрицательной полярности и такой же амплитуды и длительности, импульсы фильтруют и подают в нагрузку, одновременно импульсы вычитают из входного сигнала усилителя, затем интегрируют и подают интегрированный разностный сигнал на вход компаратора, где сравнивают с опорным напряжением, равным нижнему уровню динамического диапазона, и формируют импульсы управления транзисторными ключами, отличающийся тем, что задают дополнительные опорные напряжения положительной и отрицательной полярности, величины которых пропорциональны членам степенного ряда с основанием, равным двум, кроме первой степени двойки, и сравнивают их с интегрированным разностным сигналом, при этом величины напряжений выходных импульсов положительной и отрицательной полярности формируют пропорциональными членам степенного ряда с основанием два, с помощью первого, второго и дополнительных транзисторных ключей, в тех случаях, когда интегрированный разностный сигнал больше одного или нескольких положительных опорных напряжений, то формируют выходной импульс с амплитудой, определяемой суммой напряжений предыдущего импульса и наибольшего опорного напряжения, соответствующего меньшему, чем интегрированный разностный сигнал, или формируют выходной импульс максимальной амплитуды, пропорциональной старшему члену ряда, если интегрированный разностный сигнал больше максимального опорного напряжения, пропорционального старшему члену ряда, когда разностный сигнал меньше нуля, формируют выходной отрицательный импульс амплитуды, соответствующей разности напряжения предыдущего импульса и наименьшего опорного напряжения большего, чем интегрированный разностный сигнал, или максимальной по модулю амплитуды отрицательной полярности, если интегрированный разностный сигнал по модулю больше опорного напряжения, пропорционального старшему члену ряда.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае входного сигнала, равного нулю или меньше величины нижнего уровня динамического диапазона усиления усилителя, формируют нулевой уровень выходного напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике усиления мощности электрических сигналов и может быть использовано при усилении мощности в системах воспроизведения звука, а также в устройствах автоматики, измерительной и преобразовательной техники.

Известны усилители мощности (класса D - усиления) электрических сигналов посредством импульсного канала [1]. Для управления импульсным каналом используют цифровой задающий сигнал, который компрессируют. Цифровой сигнал преобразуют в широтно-модулированный импульсный сигнал. На выходе импульсного канала мощный импульсный сигнал фильтруют.

Выходной сигнал импульсного канала суммируют с положительным и отрицательным напряжениями небольшой величины и полученные напряжения используют для питания линейного канала. С помощью линейного канала осуществляют линейное усиление задающего сигнала. Поскольку ток линейного канала равен току нагрузки, его мощность и потери оказываются сравнительно большими.

Наиболее близким по технической сущности является способ управления ключами силового канала усилителя мощности с использованием принципа сигма - дельта модуляции [2], при котором величину или мощность выходного сигнала усилителя задают плотностью выходных импульсов соответствующей полярности. Способ управления заключается в том, что с помощью первого транзистора формируют импульсы положительной полярности и постоянной длительности либо с помощью второго формируют импульсы отрицательной полярности и такой же амплитуды и длительности, импульсы фильтруют с помощью Г-образного фильтра и подают в нагрузку. Одновременно импульсы уменьшают в соответствии с коэффициентом усиления силового канала, но оставляют большими, чем входной сигнал, и вычитают из входного сигнала усилителя, затем разность интегрируют и подают на вход компаратора нулевого уровня, формирующего импульсы управления ключами. При увеличении входного сигнала и переходе через нулевой уровень посредством компаратора формируют импульс положительной полярности, при уменьшении и переходе через ноль - отрицательной.

Величина тактовой частоты импульсов в значительной мере определяет величины паразитных гармоник в выходном сигнале такого усилителя и их частоты. Более того, динамический диапазон выходного сигнала усилителя определяется максимально возможным числом импульсов тактовой частоты, укладывающихся на интервале половины периода верхней частоты спектра усиливаемых сигналов. Увеличение частоты тактирования с целью снижения искажений и увеличения динамического диапазона усиления приводит к возрастанию потерь в мощных ключевых транзисторах.

Решение задачи увеличения динамического диапазона выходного сигнала усилителя и (или) уменьшения потерь состоит в том, что дополнительно изменяют амплитуду формируемых импульсов на основании информации о величине интегрированного разностного сигнала и величины предыдущего выходного импульса усилителя. Амплитуду изменяют ступенчато с помощью дополнительных ключей.

Техническим результатом заявляемого решения является увеличение динамического диапазона усиления сигналов и снижение потерь энергии в ключах силового канала. Вследствие этого уменьшаются вес и габариты усилителя.

Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что задают дополнительные опорные напряжения положительной и отрицательной полярности, величины которых пропорциональны членам степенного ряда с основанием, равным двум, кроме первой степени двойки. С помощью дополнительных компараторов их сравнивают с интегрированной разностью входного сигнала усилителя и выходных импульсов усилителя положительной и отрицательной полярности, величины которых пропорциональны членам степенного ряда с основанием два. Когда разностный сигнал больше одного или нескольких положительных опорных напряжений, формируют импульс с амплитудой, определяемой суммой номера члена степенного ряда, соответствующей предыдущему импульсу, и номера члена ряда, соответствующего наибольшему опорному напряжению, меньшему, чем разность, или максимальной амплитуды, если это старший член ряда. В тех случаях, когда разностный сигнал меньше нуля, формируют импульс амплитуды, соответствующей разности номера члена степенного ряда, соответствующего предыдущему импульсу, и номера члена ряда, соответствующего наименьшему опорному напряжению, большему, чем интегрированная разность, или максимальной по модулю амплитуды отрицательной полярности, если это старший член ряда.

В тех случаях, когда входной сигнал усилителя отсутствует, то есть равен нулю или меньше величины нижнего уровня динамического диапазона усиления усилителя, формируют нулевой уровень выходного напряжения.

На фиг.1 изображены диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления импульсным усилителем мощности электрических сигналов; на фиг.2 - структурная схема усилителя, реализующего способ управления.

На фиг.1 приведены диаграммы 1.1 и 1.2, где с помощью пунктирной кривой 1 изображен входной сигнал, приведенный к выходу, а ломаная линия 2 соответствует выходному напряжению усилителя.

На диаграмме 1.2 с помощью ломаной 8 изображен сигнал на выходе интегратора 9, прямые 9 и 10 соответствуют опорным сигналам компараторов положительного напряжения, а прямые 11 и 12 - опорным сигналам отрицательного напряжения.

С помощью фиг.2 изображена структурная схема усилителя мощности, с помощью которого реализуется предлагаемый способ управления. Усилитель содержит суммирующее устройство 13, с помощью которого производится вычитание сигнала отрицательной обратной связи из входного сигнала U_Вх, и интегратор 14. Интегрированный разностный сигнал в точке А изображен на диаграмме 1.2 фиг.1 в виде ломаной 8. Три опорных напряжения U₁, U₂ , U₃ подаются на положительные (прямые) входы компараторов 15-17 и отрицательные (инверсные) входы компараторов 18-20. Выходы компараторов соединены с входами сдвигового регистра, состоящего из триггеров 21-24, из них триггер 21 является знаковым, а выходы каждого разряда сдвигового регистра подаются на входы устройства 25 управления ключами VT1-VT7. Переключение сдвигового регистра производится синхронно с тактовой частотой f _т.

В качестве примера изображены три вида импульсов, отличающихся величиной амплитуды (или шесть с учетом импульсов отрицательной полярности). Амплитуды импульсов пропорциональны членам двоичного ряда 2, 4, 8, ..., 2ⁿ например, с общим коэффициентом пропорциональности 2. В этом случае амплитуда импульсов 3 равна 4 В, тогда амплитуда импульсов 4 равна 8 В, а импульсов 5-16 В. Амплитуды импульсов 6, 7 отрицательной амплитуды соответственно равны: (-4) В, (-8) В, а импульсы максимальной отрицательной амплитуды (-16) В, не показаны.

С помощью ключа VT1 производится коммутация напряжения U _П1, в данном примере равного (+16) В, с помощью ключа VT2 - (-U_П1), равного (-16) В. С помощью ключей VT3 и VT4 коммутируется напряжения соответственно U _П2=+8 и (-U_П2)=-8 В, а с помощью транзисторов VT5 и VT6 напряжения U_П3=+4 В и (-U_П3)=-4 В. Посредством транзисторного ключа VT7 осуществляется замыкание выхода на общий вывод. Импульсы выходного напряжения формируются последовательно и суммируются в точке В. Выходная цепь импульсного усилителя содержит Г-образный фильтр, включающий дроссель L1 и конденсатор С1.

Способ управления импульсным усилителем мощности осуществляется следующим образом.

Задающий сигнал в аналоговой форме (кривая 1 на диаграмме 1.1 фиг.1) подают на вход устройства вычитания 13 (фиг.2). На другой вход устройства вычитания поступает сигнал отрицательной обратной связи по напряжению с общей выходной точки В ключей усилителя, который представляет собой последовательность импульсов, изображенных на диаграмме 1.1 фиг.1. В случае необходимости сигнал обратной связи уменьшают с помощью делителя (не показан), коэффициент деления которого определяет коэффициент усиления импульсного усилителя.

Разностный сигнал интегрируют посредством интегратора 14 и подают на компараторы 15-20, с помощью которых производят его сравнение с опорными напряжениями. Сигнал на выходе интегратора (в точке А на фиг.2) изображен ломаной 8 на диаграмме 1.2 фиг.1 и увеличен по оси ординат (U) для наглядности. Опорные напряжения U₁, U₂, U ₃ (на фиг.2) поступают на прямые входы компараторов 11, 12, 13 положительного напряжения и инверсные входы компараторов 14, 15 и 16. Величины опорных напряжений выбираются соответствующими величинам амплитуд импульсов напряжений, формируемых ключами, а величина U₁ выбирается равной нижнему уровню динамического диапазона воспроизводимого сигнала, то есть практически нулю. Это позволяет воспроизводить входные сигналы малой величины путем формирования последовательности импульсов соответствующей плотности и наименьшей величины U _П1, а также (-U_П1). В силу малости величины U₁ и (-U₁ ) на фиг.1 они не показаны. В случае отсутствия сигнала на входе усилителя компараторы оказываются в нулевом состоянии, что соответствует замкнутому ключу VT2, это значительно снижает уровень собственных шумов усилителя и потерь энергии.

Опорное напряжение U ₂, изображенное прямой 9 на диаграмме 1.2, выбирают пропорциональным второй степени двойки, в данном примере с учетом общего коэффициента усиления, равного, например, k=10 и U_П2 =8 В, получаем U₂=0,8 В. Аналогично третье опорное напряжение, изображенное прямой 10, равно U ₃=1,6 В. Опорные напряжения отрицательных уровней показаны с помощью прямых 11 (-0,8 В) и 12 (-1,6 В).

Компараторы 15, 16, 17 переключаются в единичное состояние, когда выходной сигнал интегратора превышает напряжение соответственно U ₃, U₂, или U₁ , а компараторы 18, 19 и 20 - когда выходной сигнал интегратора (отрицательной полярности) становится меньше чем соответственно (-U₁), (-U₂), (-U ₃). Таким образом, производят оценку по величине разницы между входным сигналом усилителя и значением напряжения последовательности импульсов в точке В. Оценку производят в момент времени, определяемый тактовой частотой f_т.

Результат оценки, а именно единичный сигнал старшего сработавшего компаратора с наибольшим по модулю опорным сигналом, суммируют с содержимым сдвигового регистра (сумматора, с помощью которого реализуются функции сдвигового регистра). При этом выходной сигнал компаратора 17 подают на суммирующий вход первого разряда 24 сдвигового регистра, выход компаратора 16 - на суммирующий вход второго разряда 23, а выход компаратора 15 - на вход третьего разряда 22. Единичное состояние только первого, младшего, компаратора 17 приводит к сдвигу содержимого регистра на одну позицию влево. Если содержимое сдвигового регистра равнялось нулю, что соответствует коду 1000, где единица знакового разряда означает положительную полярность, то после срабатывания компаратора 17 на сдвиговом регистре будет код 1001. С приходом следующего тактового импульса и неизменности состояния компараторов на регистре будет 1010, затем 1100, и это состояние остается максимально возможным. В случае срабатывания компаратора второго уровня (0,8 В) происходит сдвиг содержимого регистра на две позиции влево. При срабатывании компаратора третьего уровня сдвиг содержимого регистра осуществляется на три позиции.

Срабатывание компараторов отрицательных напряжений 18, 19 и 20 происходит аналогично, а сдвиг содержимого регистра производится в обратном направлении, то есть вправо. Таким образом, в данном примере регистр имеет следующие разрешенные состояния (в порядке убывания): 1100, 1010, 1001, 1000, 0100, 0010, 0001. Предложенный способ кодирования не является единственно возможным и не имеет принципиального значения. В соответствии с каждым из приведенных кодов с помощью ключевых транзисторов формируется импульс, имеющий амплитуду: U_П1=16 В, U_П2 =8 В, U_П3=4 В, U=0 В, -U _П3=-4 В, -U_П2=-8 В, -U _П1=-16 В.

В момент времени t=0 на фиг.1 выходной сигнал 8 интегратора (в точке А) приводит к срабатыванию компаратора 15 третьего уровня и формированию импульса напряжения максимальной величины 16 В. В момент окончания первого импульса выходной сигнал 8 интегратора оказывается меньше второго отрицательного уровня, но больше третьего отрицательного, что соответствует срабатыванию компаратора 19 и сдвигу содержимого регистра на две позиции вправо, в сторону уменьшения. Это означает формирование второго импульса с амплитудой, равной 4 Вольта, и одновременно увеличение сигнала на выходе интегратора. По окончании второго импульса сигнал 8 интегратора становится положительным и превосходит по величине второй уровень. В результате сдвига содержимого регистра на две позиции влево с помощью транзисторного ключа VT1 формируется импульс максимальной величины U_П1=16 В. Дальнейший процесс формирования импульсов аналогичен приведенному. В отдельных случаях возможен переход кода регистра сразу на три позиции, что изображено в момент формирования одиннадцатого слева импульса, величина которого равна нулю, или четырнадцатого импульса и так далее.

На диаграммах фиг.1 изображены процессы в случае превышения тактовой частоты (передискретизации) в сравнении с основной гармоникой входного сигнала (полуволны) в 32 раза. Это соответствует динамическому диапазону представления сигнала такой частоты с помощью импульсов амплитуды U _П1=4 В, равному по величине D=20lg(32/2) 24 дБ. За счет введения дополнительных импульсов, отличающихся по величине в 4 раза, можно увеличить общий динамический диапазон D_o усиления до значения D _О=D+D_Д 24+12 36 дБ.

Использование прелагаемого способа управления силовым каналом усилителя мощности класса D позволяет снизить потери энергии в ключах и увеличить динамический диапазон усиления сигналов.

Источники информации

1. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М., «Энергия», 1980, с.15.

2. TRIPATH TECHNOLOGY, INC 3900 Freedom Circle. Santa Clara, CA 95054 408.567.3000, www-tripath-com. TA2022, Stereo 90 W (4) Class-T Digital Audio Amplifir Driver Using Digital Power Processing (DPP ) Technology.