Устройство усиления аналоговых сигналов Российский патент 2021 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических и гидроакустических широкополосных усилителях мощности режимов гидросвязи и гидролокации.

Известны технические решения устройств усиления аналоговых сигналов [Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь 1988, 240 с., Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь. 1980., с. 207], использующих линейный и ключевой методы усиления. Наряду с известными преимуществами, такими как малые нелинейные искажения и широкий динамический диапазон, линейные усилители [Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь 1988, 240 с.] имеют большие потери энергии, относительная величина которых может быть соизмерима с номинальной выходной мощностью устройства. В свою очередь, ключевые усилители мощности (усилители класса D) обладают высокой энергетической эффективностью при относительных потерях не более 0,1 от номинальной выходной мощности, но вместе с тем характеризуются значительными искажениями, особенно при малом уровне выходного сигнала.

Одним из факторов, ограничивающих динамический диапазон усилителей класса D, является проникновение высокочастотных продуктов импульсного преобразования аналогового сигнала на выход устройства, что, как правило, ограничивает динамический диапазон усиления на уровне (30-40) дБ. В техническом решении [Авторское свидетельство СССР №1239735 «Усилитель класса D». опубл. 23.06.84] предложено параллельное включение ключевого усилителя и линейного усилителя через связанные обмотки дросселя фильтра нижних частот для подавления высокочастотных (ВЧ) составляющих на нагрузке. Однако, при этом сохраняются существенные нелинейные искажения, присущие усилителю класса D в части передачи сигналов малого уровня. В результате динамический диапазон может быть расширен до (40-50) дБ при нелинейных искажениях выходного напряжения (1-3) % с увеличением искажений до (10-30) %.

Техническая задача расширения динамического диапазона усиления в условиях пониженных потерь энергии при работе на резистивную нагрузку может быть решена использованием усилителей класса G [Догадин Н.Б. Аналого-дискретные усилители. Монография. Волгоград - СПб, 2003, 216 с.], в которых звено линейного усиления дополнено звеньями ключевого переключения ступеней напряжения электропитания. В отличии от усилителей класса В, где максимальный КПД не превышает (70-75) %, в усилителях класса G при трех ступенях электропитания, КПД может быть увеличен до значения 90% при потерях энергии около 10%, соизмеримых с усилителями класса D. Однако, при работе на комплексную нагрузку с коэффициентом активной мощности cosϕ=0,1-0,3 относительные потери энергии р_п в таких устройствах существенно возрастают:

где P_zmax, P_пmax - максимальные величины полной выходной мощности и мощности потерь, соответственно.

Уменьшить потери энергии при повышении показателей качества усиливаемого сигнала, таких как динамический диапазон и линейность амплитудной характеристики, позволяет прецизионный усилитель аналоговых сигналов, описанный в патенте РФ №2514928 на «Прецизионный усилитель аналоговых сигналов», опубл. 27.01.2014,. Настоящее устройство по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предлагаемого устройства и может быть принято за прототип изобретения.

Устройство-прототип использует для усиления аналоговых сигналов параллельное включение линейного усилителя и ключевого усилителя мощности (УМ), охваченных общей обратной связью по выходному току. В результате мощность выходного сигнала делится поровну между линейным и ключевым звеньями усиления.

Структурная схема устройства-прототипа, представленная на фиг. 1, содержит буферный усилитель 1 (БУ), двухканальную схему 2 прохождения аналогового сигнала (ДС), усилитель 3 мощности (УМ), выполненный линейным, ключевой усилитель 4 мощности (УМ), выполненный ключевым, фильтр 5 нижних частот (ФНЧ), сумматор 6 (СМ) и источник электропитания 7 (ИП). В известном устройстве двухканальная схема 2 может содержать дополнительный драйвер аналогового сигнала для линейного усилителя 3 при включении драйвера импульсных сигналов в состав ключевого усилителя мощности 4. Реализация отрицательной обратной связи (ООС) по выходному току обеспечивается двухканальной схемой, формирующей разностные сигналы для линейного усилителя 3 и ключевого усилителя 4 и, тем самым, обеспечивается выравнивание их выходных токов при результирующей передаточной характеристике усилительного устройства, приближенной к «генератору тока». В случае активной нагрузки это не сказывается на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) выходного напряжения. Однако при комплексной нагрузке, характерной для работы гидроакустических преобразователей (ГАП) в режимах гидросвязи и гидролокации в условиях значительного изменения их импеданса (нагрузки) Z в полосе рабочих частот (более чем в 3 раза) аналогичным образом будет изменяться и выходное напряжение.

Вместе с тем глубина ООС по выходному току может достигать 20 дБ, что позволяет практически в десять раз уменьшить нелинейность амплитудной характеристики, характерной ключевому усилителю 4 мощности, и существенно подавить ВЧ составляющие напряжения на нагрузке. Таким образом, динамический диапазон усиления в устройстве-прототипе приближается к динамическому диапазону, характерному для высококачественных линейных усилителей. Причем, в случае применения такого устройства практически в два раза уменьшаются максимальные потери энергии, в том числе при работе на комплексную нагрузку. Последнее обстоятельство объясняется тем, что существенная часть мощности выходного сигнала (не менее 50%) проходит через ключевой усилитель 4 с весьма низкими относительными потерями энергии . Соответственно даже при относительных потерях энергии в линейном усилителе до 70-90% общие потери энергии в усилительном устройстве не превышают 40-50%, что выгодно отличает его от известных технических аналогов на основе линейных усилителей класса В и G.

Однако достигнутого показателя энергетической эффективности устройства-прототипа недостаточно для реализации усилительных устройств аналоговых сигналов гидросвязи, где выходная мощность достигает 10 кВА. При этом неравномерность АЧХ выходного устройства в условиях работы на изменяющуюся нагрузку является неприемлемой применительно к широкополосным режимам гидросвязи.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и равномерности АЧХ выходного напряжения устройства усиления аналоговых сигналов в условиях работы на комплексную нагрузку.

Для решения поставленной задачи в известное устройство усиления аналоговых сигналов, содержащее источник электропитания, соединенный входом к шине электропитания и буферный усилитель, вход которого подключен к шине выходного сигнала, а выход - к входу двуканальной схемы, первый выход которой соединен через первый ключевой усилитель мощности и первый фильтр нижних частот с первым входом сумматора, а второй выход - с входом второго усилителя, причем выход сумматора подключен к выходной шине, предлагается ввести преобразователь кода, подключенный входом к шине передачи данных, диодный сумматор и второй фильтр нижних частот, причем второй усилитель выполнен в виде второго ключевого усилителя мощности, двухканальная схема реализована на двухканальном широтно-импульсном модуляторе, буферный усилитель снабжен цифровым входом управления, а источник электропитания выполнен многоканальным, входы каналов которого объединены и являются входом источника электропитания, а выходы подключены к входам диодного сумматора, выход которого подключен к выводам электропитания первого и второго ключевых усилителей мощности, при этом входы управления каналов источника электропитания подключены к соответствующим выходам преобразователя кода, цифровой выход которого соединен с цифровым входом управления буферного усилителя.

Дополнительно в устройство усиления аналоговых сигналов для стабилизации выходного напряжения в условиях изменения электропитания могут быть введены ключевая схема, датчик напряжения, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого подключен к дополнительному входу преобразователя кода, а вход через датчик напряжения к шине электропитания, подключенной также через ключевую схему к дополнительному входу диодного сумматора, причем вход управления ключевой схемы соединен с дополнительным выходом преобразователя кода.

Технический результат от применения совокупности новых признаков обеспечивает повышение энергетической эффективности при более чем двукратном уменьшении потерь энергии за счет полного перехода к применению ключевых усилителей мощности в условиях обеспечения равномерности АЧХ выходного напряжения при расширении динамического диапазона усиления до (60-70) дБ посредством использования дискретного управления уровнем входного сигнала и ступенчатого изменения напряжения электропитания ключевого УМ.

Дополнительные преимущества предлагаемого технического решения достигаются в условиях повышения уровня номинальной выходной мощности до 10 кВА при электропитании ключевого УМ на максимальной градации мощности непосредственно от объектовой сети за счет принципиального уменьшения потерь в источнике электропитания и стабилизации выходного напряжения посредством обратно пропорционального управления уровнем входного сигнала в соответствии с изменением напряжения сети объекта.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где представлены структурные схемы устройства прототипа (фиг. 1) и заявляемого устройства (фиг. 2) усиления аналоговых сигналов, а также иллюстрация диаграмм сигналов (фиг. 3), поясняющие особенности работы предлагаемого технического решения при дискретном управлении уровнем входного сигнала и ступенчатом изменении напряжения электропитания, в том числе в условиях прямого электропитания от изменяющегося напряжения объектовой сети в режиме большой мощности (пунктирные линии). На фиг. 3 приняты следующие обозначения:

u - выходной сигнал буферного усилителя 1 с цифровым управлением при постоянном входном сигнале;

S - значение кода, поступающего на цифровой вход буферного усилителя 1 с цифрового выхода преобразователя 10 кода, соответствующее коду шины передачи данных на его входе и цифровому сигналу АЦП 13;

S_вх - значение кода от шины передачи данных;

Е - напряжение электропитания первого и второго ключевого УМ 3 и ключевого УМ 4;

Е₀ - номинальное напряжение электропитания сети объекта;

U - выходное напряжение сумматора 6 на шине выходного сигнала;

V₀, V₁, V₂, V₃ - команды управления на выходах преобразователя 10 кода.

На временных диаграммах u, S, E / E₀, V₀ (фиг. 3) пунктирными линиями иллюстрируются плавное изменение сигналов, соответствующие параметрическому регулированию выходного сигнала u буферного усилителя 1 в соответствии с кодом S при изменении напряжения питания Е для максимальной градации мощности (наличие команды V₀). Дискретное изменение выходного напряжения U согласно временным диаграммам сигналов реализуется в соответствии с кодом S_вх посредством, например, двухкратного уменьшения коэффициента передачи буферного усилителя 1 для каждой градации мощности. Такое понижение сигнала u соответствует изменению младшего разряда трехразрядного кода S_вх, старшие разряды которого преобразуются в команды V₁, V₂, V₃ управления каналами источника электропитания 7. Для удобства представления взаимной синхронизации сигналов на фиг. 3 нанесена вертикальная сетка, соответствующая изменению кода S_вх. Расширения динамического диапазона усиления в предлагаемом устройстве подтверждается введением маштабирования М10:1 на фиг. 1 при иллюстрации сигнала U малого уровня мощности.

Предлагаемое устройство усиления аналоговых сигналов (фиг. 2) содержит буферный усилитель 1 (БУ), двухканальная схема 2 (ДС) на основе двухканальный широтно-импульсный модулятор, первый и второй ключевые усилители мощности 3 и 4 (УМ), первый и второй фильтры 5 и 8 нижних частот (ФНЧ), сумматор 6 (СМ), источник электропитания 7 (ИП) с каналами электропитания 7.1-7.n (КЭП), диодный сумматор 9 (ДСМ), преобразователя 10 кода (ПрК). Дополнительно предлагаемое устройство может содержать ключевую схему 11 (КС), датчик напряжения 12 (ДН) и аналогово-цифровой преобразователь 13 (АЦП).

В состав предлагаемого устройства усиления аналоговых сигналов входят блоки, выполняемые по известным правилам в соответствии с заявляемыми особенностями реализации, причем их совокупное применение обеспечивает достижение технического результата.

Буферный усилитель 1 предназначен для предварительного усиления входного сигнала и его масштабирования в соответствии с кодом S (фиг. 3). Буферный усилитель 1 может быть выполнен на операционном усилителе с цифровым управлением, обеспечивающим пропорциональное изменение коэффициента передачи от величины цифрового кода. В частности буферный усилитель такого типа реализуется на цифровом потенциометре AD5290YRMZ10 и операционном усилителе 1432УД25БУ.

Двухканальный широтно-импульсный модулятор 2 должен обеспечивать преобразование выходного сигнала буферного усилителя 1 в две широтно-модулированные импульсные последовательности с частотой переключений f, сдвинутые относительно друг друга на полупериод переключений и может быть выполнен по известным правилам [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь. 1980., с. 207],

Частота f выбирается значительно (в 10 раз) выше верхней частоты F усиливаемого сигнала. При этом частота изменения суммарного импульсного сигнала вдвое превосходит частоту переключений f, а малому уровню входного сигнала соответствуют импульсы малой длительности, что минимизирует влияние ВЧ составляющих на динамический диапазон усиления и облегчает выделение полезных низкочастотных составляющих модулированного импульсного напряжения на нагрузке.

Ключевые усилители мощности 3 и 4 составляют двухканальную схему ключевого усиления, например, выполненную в соответствии с известным техническим решением [Патент РФ №2188498 «Двухканальный усилитель класса D», опубл. 27.08.2002] предназначенную для высокоэффективного усиления широтно-модулированных импульсных сигналов с минимальным искажением амплитуды и длительности. Оконечные каскады ключевого УМ могут быть выполнены на полевых транзисторах с собственными обратными диодами, включенными в полу-мостовые или мостовые схемы. При этом собственное сопротивление ключевого УМ определяется весьма малым внутренним сопротивлением открытых транзисторов, не связанных с остаточными напряжениями диодной проводимости. Для ключевого УМ большого уровня мощности можно рекомендовать применение полевых транзисторов, выполненных на основе SiC технологии, обеспечивающих минимизацию потерь энергии и искажений выходного сигнала. Низкочастотные составляющие V_н суммарного напряжения V таких усилителей с большой степенью точности могут быть определены выражением:

где K_шим - коэффициент передачи широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

K_БУ - коэффициент передачи буферного усилителя;

u₀(t) - сигнал на входной шине устройства;

Е - напряжение электропитания ключевого УМ;

u_M - максимальная амплитуда входного сигнала, соответствующая максимальной модуляции K_шим при максимальном значении K_БУ.

Фильтры 5, 8 нижних частот должны обеспечивать ограничение ВЧ составляющих выходных токов ключевого УМ и выделение на выходе сумматора 6 полезных низкочастотных составляющих выходного напряжения U в условиях минимизации проникновения ВЧ продуктов импульсного преобразования.

Как правило, такие фильтры выполняются на LC-ФНЧ второго порядка и обязательно имеют индуктивный вход, подключенный к выходу ключевого УМ [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь. 1980., с. 207],

В предлагаемом устройстве в составе ФНЧ достаточно использования только дросселя при включении емкости фильтра на выходе сумматора 6. Частота среза такого результирующего фильтра может быть выбрана в 2-3 раза выше верхней частоты усиливаемых сигналов, что обеспечивает высокую равномерность АЧХ выходного напряжения в полосе рабочих частот в условиях кратного изменения импеданса нагрузки. При этом достигается также достаточное подавление ближайших ВЧ составляющих не менее чем на 30 дБ, что при двухканальной ШИМ гарантирует динамический диапазон усиления не менее чем (40-50) дБ.

Сумматор 6 должен обеспечивать формирование результирующего низкочастотного напряжения на выходной шине устройства. Для согласования с нагрузкой и использования потенциала двухканальной модуляции целесообразно использовать последовательное трансформаторное сложение [Патент РФ №2188498 «Двухканальный усилитель класса D», опубл. 27.08.2002], что достигается реализацией сумматора 6 на двух выходных трансформаторах с последовательным включением вторичных обмоток.

Источник 7 электропитания в заявляемом устройстве должен содержать ряд каналов 7.1…7.n, уровень выходных напряжений которых E₁…E_n должен обеспечивать соответствующее изменение ступеней напряжения Е электропитания ключевого УМ. Для реализации предложенного технического решения относительное изменение ступеней напряжения Е выбирается исходя из требуемых градаций выходной мощности при величине ступени (10-16) дБ. Соответственно уровни мощности отдельных каналов отличаются более чем в 10 раз и основная энергетическая нагрузка остается на первом канале источника электропитания. Отдельные каналы 7.1…7.n включаются по сигналам управления, поступающим с соответствующих выходов преобразователя 10 кода, формируемых исходя из величины входного кода S_вх шины передачи данных.

Диодный сумматор 9 обеспечивает передачу большего из входных напряжений, поступающих с выходов каналов источника 7 электропитания на выводы электропитания ключевого УМ 3 и 4. При этом выходные цепи отключенных каналов высокого напряжения через диодную развязку не препятствуют прохождению более низких напряжений включенных каналов.

Преобразователь 10 кода относится к наиболее сложным цифровым узлам предлагаемого устройства усиления аналоговых сигналов, обеспечивающих формирование команд управления включением каналов источника 7 электропитания и цифрового кода управления коэффициентом передачи буферного усилителя. Такой цифровой узел может быть реализован на контроллере общего применения, например типа 1986 ВЕ1Т с необходимой периферией.

В простейшем случае в структуру входного кода S_вх могут входить разовые команды включения каналов источника 7 питания, которые транслируются преобразователем 10 кода на входы управления каналов 7.1…7.n. На практике для обеспечения динамического диапазона 70 дБ, включая дискретное изменение мощности тремя ступенями по 10 дБ с промежуточным изменением уровня усиливаемого сигнала на каждой градации мощности, требуется только трехразрядный двоичный код S_вх шины передачи данных. При этом только один разряд поступает на цифровой вход буферного усилителя 1. Старшие разряды кода S_вх используются для выделения команд управления каналами источника 7 питания V₁, V₂, V₃ с соответствующих выходов преобразователя 10 кода. Как показано на фиг. 3, в этом случае для каждой градации напряжения питания может быть предусмотрено двух кратное понижение напряжения на выходе буферного усилителя 1.

Более сложный алгоритм цифрового управления коэффициентом передачи буферного усилителя 1 должен быть реализован для стабилизации выходного напряжения устройства усиления аналоговых сигналов в условиях изменения напряжения электропитания. Такой алгоритм реализуется при использовании дополнительных признаков предлагаемого технического решения для обеспечения электропитания верхней градации мощности непосредственно от сети объекта. В этом случае может иметь место практически двукратное превышение напряжения электропитания Е от установленного номинального значения Е₀. Соответственно для компенсации такого изменения Е с достаточной точностью 10% необходимо уменьшение коэффициента передачи буферного усилителя при использовании четырехразрядного кода управления. Для формирования кода цифрового выхода преобразователя 10 кода в этих условиях осуществляется с использованием выходного сигнала АЦП 13, вход которого через датчик напряжения соединен с шиной электропитания.

При использовании дополнительных признаков Подключение напряжения объектовой сети к выводам электропитания ключевого УМ 3 и 4 может быть осуществлено при включении ключевой схемы 11 по команде V₀, формируемой

преобразователем кода для верхней градации мощности. Ключевая схема 11 может быть реализована на полевом транзисторе с драйвером управления, рассчитанными на максимальные значения напряжения объектовой сети и тока потребления.

Датчик 12 напряжения должен обеспечивать формирование контрольного сигнала с гальванической развязкой пропорционального напряжению шины электропитания. Датчик может быть выполнен на линейном устройстве с оптоэлектронной либо трансформаторной развязкой.

АЦП 11 должен обеспечивать формирование цифрового кода S_E, пропорционального уровню контрольного сигнала с выхода датчика 12 необходимой разрядности для обеспечения требуемой точности компенсации изменения напряжения электропитания соответствующей цифровой регулировкой коэффициента передачи буферного усилителя 1.

Предлагаемое устройство усиления аналоговых сигналов работает следующим образом.

С шины входного сигнала на вход буферного усилителя 1 поступает сигнал с качеством, достаточным для обеспечения требуемого динамического диапазона (не менее 30 дБ) на каждой градации мощности. Вместе с тем, с шины передачи данных на вход преобразователя 10 кода поступает код установленной градации мощности, который преобразуется в команды включения каналов источника 7 питания. Для первой градации мощности все команды на выходы преобразователя 10 кода (V₁, V₂, V₃) устанавливаются на высокий уровень, соответствующий включению каналов (фиг. 3). При этом через диодный сумматор приходит напряжение E₁, соответствующее первой градации мощности. Для перехода на следующую ступень электропитания в соответствии с входным кодом S_вх, команда V₁ устанавливается в низкий уровень, канал 7.1 отключается и на выходе диодного сумматора формируется напряжение Е₂, соответствующее работе канала 7.2 и далее до последней ступени, включенной постоянно.

На каждой установленной степени электропитания устройство усиления обеспечивает высокое качество усиления сигналов в динамическом диапазоне не менее 40 дБ, соответствующее типовым характеристикам усилителей класса D на быстродействующих полевых транзисторах. При этом нелинейные искажения не превышают 1% в динамическом диапазоне 30 дБ и несколько возрастают (до 3%) в нижней части динамического диапазона.

В ряде случаев, например, для устройств усиления сигналов необходима генерация сигнала в динамическом диапазоне не более 30 дБ с промежуточными изменениями градации выходной мощности на каждой ступени электропитания. При этом в соответствии с младшими разрядами входного кода S_вх в устройстве предусмотрена возможность дискретного уменьшения уровня выходного сигнала буферного усилителя, например за счет двух-кратного понижения коэффициента усиления, при сохранении его качественных характеристик в более широком динамическом диапазоне (фиг. 3), так как в этом случае достигается уменьшение выходного сигнала U при уменьшении u сигнала W на выходе буферного усилителя без изменения уровня и качества сигнала u₀(t) на входной шине устройства.

С учетом ступенчатого изменения напряжения электропитания динамический диапазон предлагаемого устройства может быть расширен не менее чем на 70 дБ. При этом на каждой градации мощности сохраняется высокое качество выходного напряжения в условиях обеспечения равномерности АЧХ в том числе при изменяющейся комплексной нагрузке. Полученный результат связан с уменьшением искажений на малых градациях мощности практически пропорционально с понижением напряжения электропитания. Причем такой результат обеспечивается в условиях высокоэффективной работы ключевых усилителей мощности, относительные потери энергии в которых не превышают 10% от полной выходной мощности на каждой ступени электропитания, что значительно меньше чем в устройстве-прототипе.

Здесь необходимо отметить, что использование стабилизированных источников питания связано с дополнительными потерями энергии, как в предлагаемом устройстве, так и в устройстве-прототипе. Такие потери даже при использовании высокоэффективных ключевых преобразователей также достигают 10%. В результате предлагаемое техническое решение позволяет сохранить потери энергии и, собственно, тепловыделение до уровня менее 20% от максимальной выходной мощности при высоком качестве выходного напряжения, что соответствует более чем двух кратному повышению энергетической эффективности по сравнению с устройство-прототипом.

Однако, при повышении уровня выходной мощности достигнутого уровня эффективности недостаточно для обеспечения весьма жестких требований к массогабаритным показателям и тепловыделению усилительной аппаратуры. В этих условиях целесообразно применить АЦП 13, датчик напряжения 12 и ключевую схему 11 как дополнительные признаки настоящего изобретения. Здесь основным предложением является обеспечение электропитания ключевого УМ 3 и 4 для верхней границы градации мощности непосредственно от напряжения объектовой сети, в качестве которой может быть использована аккумуляторная батарея напряжением (175-320) В с возможным кратковременным повышением до (350-400) В. Для этого в предлагаемом устройстве используется ключевая схема 11, которая через диодный сумматор обеспечивает подключение напряжения Е с шины электропитания к выводам электропитания ключевого УМ 3 и 4. В этом случае стабилизация уровня выходного сигнала при нестабилизированном напряжении электропитания обеспечивается соответствующим изменением коэффициента передачи буферного усилителя 1 обратно пропорционально коду, формируемому АЦП 13 по сигналу с выхода датчика 12 напряжения. Достоинством такого варианта электропитания является минимизация потерь энергии в источнике 7 электропитания при относительных потерях в цепях передачи напряжения не более 1%. Тем самым в наиболее энергетически напряженном режиме для верхней градации мощности потери энергии в предлагаемом устройстве сокращаются практически вдвое, что соответствует результирующему выигрышу по сравнению с устройством-прототипом в 4 раза. Следует отметить, что введение дополнительной ступени высокого напряжения электропитания не сказывается на работу при пониженных градациях мощности, так как при отключении ключевого устройства 11 диодный сумматор обеспечивает прохождение напряжений каналов 7.1…7.n в штатном режиме.

Однако в этом случае необходима реализация дополнительных мер по стабилизации выходного напряжения в условиях изменения напряжения электропитания.

При этом работа предлагаемого устройства на верхней градации мощности обеспечивается следующим образом. Включение ключевой схемы 11 осуществляется по команде V₀, поступающей с дополнительного выхода преобразователя 10 кода в соответствии с кодом S_вх, соответствующим верхней градации выходной мощности. Одновременно преобразователь 10 кода обеспечивает считывание цифрового сигнала, поступающего на его дополнительный вход с выхода АЦП 13, код которого пропорционален напряжению шины электропитания. В результате на цифровом входе буферного усилителя 1 формируется код S обратно пропорциональный величине напряжения Е (фиг. 3 - пунктирные линии), что приводит к соответствующему изменению коэффициента передачи буферного усилителя 1. Таким образом, выражение (2) приводится к следующему виду.

При условии обеспечивается полная компенсация изменения напряжения электропитания и постоянство номинального выходного напряжения на верхней градации мощности.

Тем самым, предложенные дополнительные меры позволяют существенно повысить энергетическую эффективность заявляемого устройства усиления аналоговых сигналов большой мощности без ухудшения показателей качества, таких как динамический диапазон усиления, стабильность и равномерность АЧХ.

Соответственно совокупное использование отличительных признаков заявляемого технического решения по сравнению с устройством-прототипом и известными техническими аналогами, содержащими звенья линейного усиления, обеспечивает уменьшение потерь энергии в 2-4 раза при работе на изменяющуюся комплексную нагрузку в условиях существенного улучшения равномерности АЧХ выходного напряжения. В свою очередь, по сравнению с известными ключевыми усилителями мощности предлагаемое устройство обладает расширенным более чем на (20-30) дБ динамическим диапазоном усиления при уменьшении нелинейных искажений малого уровня выходных сигналов.

На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы устройств усиления аналоговых сигналов для режимов низкочастотной гидросвязи, результаты испытаний которых подтвердили достижение заявляемого технического результата в условиях максимальной выходной мощности до 10 кВА. Предложено принять изобретение к внедрению для ряда приоритетных разработок для заказов ВМФ России.

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических и гидроакустических широкополосных усилителях мощности (УМ). Техническим результатом является повышение энергетической эффективности и равномерности АЧХ выходного напряжения в условиях работы на изменяющуюся комплексную нагрузку за счет использования двухканального широтно-импульсного модулятора двух ключевых усилителей мощности с фильтрами нижних частот, выходного сумматора, а также многоканального источника питания с диодным сумматором и преобразователя кода для ступенчатого управления напряжением электропитания и цифрового управления буферным усилителем входного сигнала. Дополнительно для устройств усиления большой мощности уменьшение потерь энергии при верхней градации мощности обеспечивается электропитанием ключевого УМ через ключевую схему от напряжения объектовой сети, в условиях компенсации его изменения соответствующим цифровым управлением коэффициента передачи буферного усилителя с использованием датчика напряжения и аналогово-цифрового преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство усиления аналоговых сигналов, содержащее источник электропитания, присоединенный входом к шине электропитания, и буферный усилитель, вход которого подключен к шине входного сигнала, а выход - к входу двухканальной схемы, первый выход которой соединен через первый ключевой усилитель мощности и первый фильтр нижних частот с первым входом сумматора, а второй выход - с входом второго усилителя, причем выход сумматора подключен к выходной шине, отличающееся тем, что в его состав введены преобразователь кода, подключенный входом к шине передачи данных, диодный сумматор и второй фильтр нижних частот, причем второй усилитель выполнен в виде второго ключевого усилителя мощности, двухканальная схема реализована на двухканальном широтно-импульсном модуляторе, буферный усилитель снабжен цифровым входом управления, а источник электропитания выполнен многоканальным, входы каналов которого объединены и являются входом источника электропитания, а выходы подключены к входам диодного сумматора, выход которого подключен к выводам электропитания первого и второго ключевых усилителей мощности, в свою очередь входы управления каналов источника электропитания подключены к соответствующим выходам преобразователя кода, цифровой выход которого соединен с цифровым входом управления буферного усилителя.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены ключевая схема, датчик напряжения и аналогово-цифровой преобразователь, выход которого подключен к дополнительному входу преобразователя кода, а вход через датчик напряжения - к шине электропитания, подключенной также через ключевую схему к дополнительному входу диодного сумматора, причем вход управления ключевой схемы соединен с дополнительным выходом преобразователя кода.