Усилитель класса Д Советский патент 1984 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относитсяк радиотехнике и может быть использовано з радиопередающих устройствах. Известен усилитель класса D, содержащий транзисторный ключ, управляемый широтно-импульсным модулятором, выходной трансформатор Ш . Недостатком такого усилителя клас са Д является низкая надежность, обусловленная возникновением существенных перенапряжений на транзисторном ключе, вызванных прерыванием тока в индуктивности трансформатора при выключении транзисторного ключа. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является уси литель класса D, содержащий последовательно соединенные блок широтноимпульсной модуляции и ключевой усилитель мощности, выполненный на первом активном элементе и первом, выходном трансформаторе, а также фильт нижних частот, выход которого соединен с нагрузкой, а вход - соответственно с объединенными катодами выпрямительного и рекуперационного диодов и объединенными анодом рекуперационного диода и первым выводом вторичной -обмотки перв.ого выходного трансформатора, второй вывод которой подключен к аноду выпрямительного диодд. 2 . Известный усилитель класса Д обла дает нелинейной зависимостью амплитудной характеристики, обусловленной нелинейными зависимостями в активном элементе ключевого усилителя мощности величин времени включения и расса сывания. Наиболее сильно указанная нелинейность проявляется при низких и средних уровнях выходного напряжения. Цель изобретения - повышение линейности амплитудной характеристики и увеличение коэффициента полезного действия. Поставленная цель достигается тем что в усилитель класса D, содержащий последовательно соединенные блок широтно-импульсной модуля,ции и ключевой усилитель мощности, выполненный на первом активном элементе и первом выходном трансформаторе, а также фильтр нижних частот, выход которого соединен с нагрузкой, а вход - соответственно с объединенными катодами выпрямительного и реку4Jперационного диодов и объединенными анодом рекуперационного диода и первым выводом -вторичной обмотки первого выходного трансформатора, второй вывод которой подключен к аноду выпрямительного диода, введены управляемый аттенюатор, D-триггер, компаратор, источник опорного напряжения, ключ, дополнительный ключевой усилитель мощности, выполненный на втором активном элементе и втором выходном трансформаторе, и дополнительный выпрямительный диод, при этом вход дополнительного ключевого усилителя мощности через ключ соединен с выходом блока широтно-импульсной модуляции, а вторичная обмотка второго выходного трансформатора включена между анодами выпрямительного и дополнительного выпрямительного диодов, катоды которых объединены, .Лричем выход фильтра нижних частот соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения , а выход - с информационным входом D-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу блока широтно-импульсной модуляции, а выход - к управляюощм входам аттенюатора и ключа. На фиг. представлена структурная электрическая схема усилителя класса D; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема ключевого усилителя мощности. Усилитель классаD (фиг.1) содержит ключевой усилитель 1 мощности, дополнительный ключевой усилитель 2 мощности, выполненные соответственно на первом и втором активных элементах и первом и втором выходных трансформаторах (фиг.2), выпрямительный 3 и дополнительный, выпрямительный 4 диоды, рекуперационный диод 5, блок 6 щиротно-импульсной модуляции (ШИМ), . фильтр 7 нижних частот (ФНЧ), компаратор 8, источник 9 опорного напряжения, D-триггер lOi управляемый аттенюатор 11, ключ 2, нагрузку 13. Усилитель класса D работает следующим образом. В соответствии, с управляющим широтно-модулированным сигналом, вырабатываемым блоком ШИМ 6j Ключевой Г и дополнительный ключевой 2 усилители мощности с подключенньми на выходе выпрямительным 3 и дополнительным выпрямительным 4 диодами и рекуперационным диодом 5 формируют на входе ФНЧ 7 последовательность однополярных прямоугольных импульсов напряжения. ФНЧ 7 выделяет на нагрузке 13 постоянную составляющую этих импульсов, повторяющую закон изменения входного сигнала усилителя класса D.

Когда выходное напряжения усилителя класса .D превышает уровень, определенный источником 9 опорного напряжения, на выходе компаратора 8, а также на выходе Д-триггера 10 действует напряжен 1е, соответствующее логическому нулю. При этом гпюч 12 замкнут и амплитуда импульсов на входе ФНЧ 7 равна удвоенной амплитуде импульсов, вырабатываемых каждым из

ус1тителей мощности 1 и 2. Выпрямительный диод 3 при этом постоянно заперт.

Если напряжение на выходе усилителя класса D, уменьшаясь, переходит уровень, заданный источником 9 опорного напряжения, на выходе компаратора 8 появляется сигнал логической единицы, воспроизводимый D-триггером 10. В результате этого ключ 12 отключает соединение блока ШИМ 6 с дополнительным ключевым усилителем

.мощности 2, а коэффициент передачи, управляемого аттенюатора 11 удваивается. За счет выключения дополнительного ключевого усилителя 2 и дополнительного, выпрямительного диода 4 амплитуда импульсов на входе ФНЧ 7 уменьшается в два раза и становится равной амплитуде импульсов, формируемых к.лючевым усилителем 1 мощности. Одновременно за счет изме70744

нения коэффи1Ц1ента передачи управляемого аттенюатора И удваиваетсяуп-. равляющее напряжение на входе блока ШИМ 6 и, соответственно, в два 5 раза увеличивается длительность импульсов, вырабатываемых ключевым . усилителем 1 мощности. Таким образом, в момент перехода порогового уровня сохраняется неизменной вольт0 секундная площадь импульсов, формируемых на входе ФНЧ 7.

Благодаря применению D-триггера 10, тактируемого импульсами с выхода блока ШИМ 6, отключение (включение) ,

S дополнительного ключевого усилителя 2 мощности осуществляется только в паузах между управляющими импульсами, тем самым устраняется воз; можность перенапряжения в дополни0 тельном ключевом усилителе 2 мощности при его коммутаци-и.

Усилитель класса D. обладает большей линейностью амплитудной характе5 ристики при низких и средних уровнях выходного напряжения, благодаря более точному соответствию продолжительности импульсов, усиленных ключевым усилителем мощности, управ ляющим импульсам вырабатываемым блоком ШИМ 6, за счет увеличения их длительности в указанном диапазоне выходных напряжений. При этом усилитель класса D обладает более высоким КПД, поскольку в области низких и средних амплитуд выходных напряжений, когда работает лишь один ключевой усилитель 1 мощности, удельные коммутационные потери по сравнению с известным усилителем класса Д вдвое ниже при одинаковом использовании активных элементов.

иг. 1

o

n

5

H-xD

Т

УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D, содержащий последовательно соединенные ,блок широтно-импульсной модуляции и ключевой усилитель мощности, вьшол- : ненный на первом активном элементе и первом выходном трансформаторе, а также фильтр нижних частот, выход Которого соединен с нагрузкой, а вход - соотвественно с объединенными катодами вь1пря ительного и рекуперационного диодов и объединенными анодом рекуперационного диода и первым выводом вторичной обмотки первого выходного трансформатора, второй вывод которой подключен к аноду выпрямительного диода, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности амплитудной характеристики и увеличения КПД, введены управляемый аттенюатор, D -триггер, компаратор, источник опорного напряжения, ключ, дополнительный ключевой усилитель мощности, выполненный на втором активном элементе и втором выходном трансформаторе, и дополнительный выпрямительный диод, при этом вход дополнительного ключевого усилителя мощности через ключ соединен с выходом блока широтно-импульсной модуляции, а вторичная обмотка второго выходного трансформатора включена между анодами.выпрямительного и дополнительного выпрямительного диодов, катоды которых объединены, причем выход фильтра нижних частот соединей с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход - с информаци1C онным входом D -триггера, тактовый вход которого подключен к выходу о блока широтно-импульсной мoдyJ яции, а выход - к управляющим входам управ ляемого аттенюатора и ключа.

ffftфиг. 2