ДВУХКАНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D Российский патент 2002 года по МПК H03F3/217 H03F3/20 H03F3/26 H03K17/60 

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 Р_Z=U_H•I_H, в то время как для линейных усилителей даже в наиболее эффективной режиме В относительные потери достигают величин 1,0-1,3Р_Z при типовых значениях cosϕ_Н = 0,1-0,3 (где ϕ_Н - фазовый сдвиг между током и напряжением; ϕ_H = Z_H/R_H - отношение активного сопротивления нагрузки R_H к полному импедансу Z_H для параллельной схемы замещения).

Для усиления знакопеременных низкочастотных (НЧ) сигналов используются известные усилители с ШИМ в режиме класса AD [1]. Известные устройства содержат широтно-импульсный преобразователь (ШИП), ключевой усилитель мощности (КУМ), выполненный, например, по полумостовой схеме, и фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на дросселе и конденсаторе, включенном параллельно нагрузке.

Принцип действия усилителей с ШИМ в режиме класса AD основан на преобразовании усиливаемого сигнала в последовательность импульсов, модулированных по длительности, ключевом усилении по мощности и демодуляции НЧ составляющих импульсного напряжения фильтром нижних частот на нагрузке. Ключевое усиление импульсного сигнала обуславливает весьма малые потери в усилительных приборах, находящихся в открытом либо закрытом состоянии. Основные потери энергии в ключевых элементах связаны с изменением их состояния, соответствующим фронту либо спаду импульсов модулированного сигнала. Таким образом, потери энергии практически пропорциональны частоте переключений (частоте следования импульсов) и могут быть уменьшены при соответствующем уменьшении частоты модулированной импульсной последовательности.

Вместе с тем импульсная модуляция, ключевое усиление и последующая частотная демодуляция сигнала в усилителях класса D приводит к значительным комбинационным искажениям. Составляющие комбинационных частот Ω_kn = kω-nΩ(ω- частота переключении, Ω - частота усиливаемого сигнала) проникают в полосу пропускания ФНЧ, что заметно ухудшает характеристики качества известных устройств. Характерной особенностью усилителей с ШИМ в режиме AD является формирование и усиление однотактной импульсной последовательности, близкой к меандру при малых уровнях усиливаемого НЧ сигнала. При этом составляющие частоты переключений после ФНЧ с частотой следа Ω_C = 0,2ω достигают заметного уровня (до минус 30 дБ от максимальной U_М амплитуды НЧ сигнала), что ограничивает динамический диапазон усиления и приводит к возрастанию коэффициента нелинейных искажений К_НЧ от 2-3% при номинальном напряжении U_H=0,7•U_M до 20-30% при U_H=0,1•U_M.

В случае работы на комплексную нагрузку, например в трактах звукоподводной связи, отношение верхней частоты Ω_B усиливаемого сигнала к частоте среза Ω_C ФНЧ, равное Ω_B/Ω_C = 0,5, является необходимым условием обеспечения стабильности амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик выходного напряжения усилительного устройства. При этом характеристики качества выходного сигнала могут быть улучшены с повышением отношения ω/Ω_B до 15-20. Для верхней частоты Ω_B = 15 кГц выполнение этого условия возможно при ω = 200-300 кГц. Реализация ключевых усилителей мощности на основе перспективной элементной базы для таких частот переключения приводит к потерям энергии не менее 0,2•P_Z, что соответствует КПД усилительного устройства не более 80%.

Известны способы повышения КПД ключевых усилителей с ШИМ, основанные на использовании режима BD [1, 3]. Такой режим возможен в ключевых усилителях мощности (КУМ), выполненных по мостовым схемам при управлении усилительными приборами от двухтактного широтно-импульсного преобразователя. В усилителях с ШИМ в режиме BD динамические потери энергии могут быть уменьшены более чем в 1,5-2 раза, так как усиление одной полуволны сигнала осуществляется только одной диагональю мостовой схемы. При смене полярности полуволны усиление сигнала обеспечивается другой диагональю мостовой схемы.

Наличие фазового сдвига между выходным напряжением и током КУМ приводит к значительным нелинейным искажениям выходного сигнала вследствие обрыва тока дросселя ФНЧ. Известны технические решения [3], позволяющие уменьшить эти искажения за счет переключения диагоналей мостовой схемы при изменении выходного тока. Вместе с тем, в мостовой схеме КУМ в режиме BD имеют место характерные искажения при малых уровнях сигнала, аналогичные искажениям в линейных усилителях класса В. Для ключевых усилителей искажения такого вида объясняются наличием задержек τ₃ включения ключевых элементов, относительная τ₃ величина которых ω/2π достигает 3-5% при частоте переключении f = ω/2π≈100 кГц.

Введение таких задержек является необходимым условием устранения сквозных токов через ключевые элементы и соответственно надежной работы усилительного устройства. В свою очередь наличие задержек при малых выходных токах приводит к обрыву выходного тока дросселя и искажению амплитудной характеристики. Вид искажений в этой зоне имеет форму ступеньки, относительная величина которой достигает значения 2τ₃f≈6-10%. Для усилителей в режиме BD зона искажения амплитудной характеристики соответствует малым входным сигналам и может быть определена как зона "молчания". При изменении входного сигнала в этой зоне напряжение на выходе усилителя отсутствует, что ограничивает динамический диапазон такого устройства на уровне 20-30 дБ. Наличие искажений амплитудной характеристики обуславливает гармонические искажения выходного напряжения, величина которых возрастает от 2-3% до 30% при изменении выходного напряжения от 0 дБ до минус 20 дБ. Таким образом, некоторое уменьшение комбинационных искажений в усилителе режима BD по сравнению с режимом AD связано с ростом гармонических искажений и ограничением динамического диапазона усиления.

Наиболее близким к предлагаемому является двухканальный усилитель с ШИМ в режиме AD, описанный в авторском свидетельстве 1438583 [4]. Устройство-прототип выполняется по известным правилам на парофазном генераторе пилообразного напряжения (ГПН), двух компараторах, включенных по схеме парофазного широтно-импульсного преобразователя, двух ключевых усилителях мощности, двух дросселях и конденсаторе фильтра, причем выходы парофазного генератора пилообразного напряжения соединены с первыми входами соответствующих компараторов, вторые входы которых соединены с шиной входного сигнала, а выходы подключены к входам ключевых усилителей мощности, шины электропитания которых соединены с шинами первичного напряжения, а выходы через соответствующие дроссели подключены к конденсатору фильтра и выходным сигналам устройства.

Структурная схема устройства-прототипа, представленная на фиг.2, содержит парафазный ШИП 1, включающий ГПН 1.1, компараторы 1.2, 1.3, а также ключевые усилители 2, 3, дроссели 4, 5, конденсатор 6. Ключевые усилители мощности устройства-прототипа могут быть выполнены по известной схеме патента США 4115740 на полумостовых схемах, включенных параллельно шинами электропитания к шинам первичного напряжения. Каждая полумостовая схема выполняется на двух ключевых элементах с задержкой включения, необходимой для их надежной работы.

Двухканальный усилитель работает следующим образом. ГПН 1.1 формирует два пилообразных взаимно противофазных напряжения U_П1, U_П2, поступающих на первые входы компараторов 1.2, 1.3, на вторые входы которых поступает входной сигнал U. В результате сравнения входного сигнала с пилообразными напряжениями формируются две последовательности импульсов, модулированных по длительности, которые усиливаются по мощности и выделяются на выходах КУМ 2, 3 в виде импульсных напряжений V₁, V₂:
V₁=E sign[U(t)-U_П1(t)],
V₂=E sign[U(t)-U_П2(t)].

Импульсные напряжения V₁, V₂ подаются на входы соответствующих дросселей 4, 5, через которые замыкаются низкочастотные и высокочастотные составляющие тока. Амплитуда НЧ тока I_НЧ определяется относительной амплитудой входного сигнала m=U_M/U_ПМ, напряжением питания Е и импедансом нагрузки Z_Н:
I_НЧ=Еm/Z_Н.

Максимальная амплитуда ВЧ тока I_ВЧМ имеет место при минимальном входном сигнале и определяется выражением
I_ВЧМ=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 Ω_B,Ω_C,ω, необходимые для реализации ключевого усилительного устройства, особенно при работе на комплексную нагрузку:
ω/Ω_C≥10; Ω_C/Ω_B≥2.
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 U_П1, U_П2 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)-[U_П1(t)],
V₂=E sign[U(t)-U_П2(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 L_ф С_ф к нагрузке. Для коэффициента трансформации К_Т суммарное напряжение V, приведенное к вторичным обмоткам, равно:
V=K_Т(V₁+V₂).

Параметры фильтра нижних частот в цепи нагрузки определяются индуктивностью L дросселей 4, 5 и емкостью С конденсатора 6:
L_ф=2LК_Т ², С_ф=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.

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.

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.