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

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в усилительных устройствах средней и большой мощности. Известен усилитель, в котором входнсж сигнал преобразуется в двухтактную последовательность широтномодулированных импульсов, полярность которых соответствует полярности входного сигнала, усиление двухтактной после 1овательности импульсов осуществляется высокоэффективными двухтактными ключевыми усилителями, .например, выполненными по мостовой схеме, каналы которых переключаются с частотой входного сигнала, что зна чительно уменьшает потери, вызванные сквозными токами lj . Данный усилитель имеет высокий КПД, порядка 85-90. Однако у этого усилителя малый ди намический диапазон усиления. Это обусловлено тем, что в таких усилителях малым уровням входного сигнала соответствует минимальная длительность импульсов, что приводит к существенным искажениям сигнала j вьщеляемого на нагрузке, вследствие инер ционности переключения ключевых элементов, и уменьшению динамического диапазона усиления до 30-35 дБ. Наиболее близким техническим реше нием к предложенному является усилитель класса Д, содержащий генератор пи лообразного напряжения, выход которог через последовательно соединенные первый блок смещения уровня, первый сумматор и первый компаратор соедине с первым входом ключевого усилителя а также через последовательно соединенные второй блок смещения уровня, второй сумматор и второй компаратор соединен с вторым входом ключевого усилителя, к выходу которого подклюIчен выходной фильтр нижних частот, причем вторые входы первого и второго блоков смещения уровня и первогои второго сумматоров подключены к общей шине, а вторые входы первого и второго компараторов соединены между собой и являются входом усилителя класса Д 2J . Однако известньй усилитель класса Д имеет существенные искажения амплитудно-частотной характеристики Цель изобретения - уменьшение нелинейных искажений. Цель достигается тем, что в усипителе-класса Д, содержащем генератор пилообразного напряжения, выход которого через последовательно соединенные первый блок смещения уровня, первьй сумматор и первый компаратор соединен с первым входом ключевого усилителя, а также через последовательно соединенные второй блок смещения УРО.ВНЯ, второй сумматор и второй компаратор соединен с вторым входом ключевого усилителя, к выходу которого подключен выходной фильтр нижних частот, причем вторые входы первого и второго блоков смещения уровня и первого и второго сумматоров подключены к общей шине, а вторые входы первого и второго компараторов соединены между собой и являются входом усилителя класса Д, выход генератора пилообразного напряжения соединен с третьим входом первого сумматора через введенные последовательно.включенные третий .блок смещения уровня и амплитудный селектор отрицательной полярности и через введенные последовательно соединенные четвертый блок смещения уровня и амплитудный селектор положительной полярности с тьретьим входом второго сумматора, при этом .вторые входы третьего и четвертого блоков смещения уровня подключены соответственно к положительной и отрицательной шинам источника питания. На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предложенного усилителя класса Д; на фиг. 2 и 3 - . эпюры, поясняющие формирование пилообразных напряжений; на фиг. 4 диаграммы, поясняющие работуусилителя; на фиг. 5 - амплитудная характеристика усилителя класса Д. Усилитель класса Д содержит генератор пилообразного напряжения (ПШ) 1, первый и второй блоки 2 и 3 смещения уровня, первый и второй сумматоры 4 и 5, амплитудный селектор 6 отрицательной и амплитудный селектор 7 положительной полярностей, первый и второй компараторы 8 и 9, ключевой усилитель 10 и выходной фильтр нижних частот .(ФНЧ) 11, третий и четвертый блоки 12 и 13 смещения уровня. ГПН 1 предназначен для формирования напряжения пилообразной формы Vj, (фиг. 2а и За) с постоянной амплиудой и частотой повторения. ГПН 1 ожет быть выпо.пнен на генераторе

тактовых импульсов типа -меандр и интеграторе.

Блоки 2 и 3, 12 и 13 смещения уровня предназначены для смещения сигнала, поступающего на их первый j вход, соответственно в большую и меньшую сторону относительно напряжения, поступающего на их второй вход. Блоки 2, 3, 12 и 13 смещения уровня могут быть выполнены на крнден- ю саторе и диоде, причем в блоках 3 и 13 смещения уровня диод включен между выходом и вторым входом в прямом направлении, а в блоках 2 и 12 смещения уровня - в обратном. На выходах блоков 2, 3, 12 и 13 смещения уровня формируются пилообразные напряжения (минимальное значение совпадает с нулевым уровнем) U, U минимальное значение, равное - U 20 (максимальное значение равно 0)j (максимальное-значение равно +L1) , форма и амплитуда которых определяется сигналом V , поступаюш 1М на первый вход блоков смещения уровня 25 (фиг. 2 а, б, в, фиг. 3 а, б, в).

Амплитудный селектор 6 отрицательной полярности предназначен для коммутации напряжения (2, поступающего на его вход с выхода блока 12 смещения уровня, на вход сумматора 4, при О На выходе амплитудного селектора 6 формируются треугольные импульсы отрицательной полярное- ти.

Амплитудный селектор 7 положительной полярности передает на вход суматора 5 напряжение 1/22 входе амплитудного селектора 7 формируются треугольные импульсы положительной 40 полярности. Амплитудные селекторы 6 и 7 могут быть,вьшольены на диодах, соответственно включенных в обратном и прямом направлениях.

Сумматоры 4 и 5 предназначены для суммирования входных сигналов и могут быть выполнены резистивными, при условии, что обеспечивается равенство сопротивлений соответствующих ре- 50 зисторов сумматоров 4 и 5. На выходах сумматоров 4 и 5 формируются пилообразные напряжения Vj yU и . причем скорость изменения пилообразных напряжений V и Vj в области от - 55 1 до 4 и в два раза больше, чем в остальной области (фиг, .2 г, д, фиг. 3 г, д).

Предлагаемый усилитель класса Д работает следующим образом.

Выходное напряжение ПШ 1 . поступает через блок 2 смещения уровня на первый вход и через блок 12 смещения уровня и амплитудный селектор 6 - на третий вход сумматора 4, а также через блок 3 смещения уровня - на первый вход и через блок 13 смещения уровня и амплитудный селектор 7 - на третий вход сумматора 5. При этом на выходах сумматоров 4 и 5 формируются соответственно напряжения Уц U и (фиг. 4а), имеющих общую область изменения от - Ц до 4 U , причем в этой области скорость изменения пилообразных напряжений V,и V в два раза выше. Напряжения V и V поступают на входы компараторов 8 и 9, где сравниваются с нап1 яжением усиливаемого сигнала. При Vi . U на выходе компаратора 8 формируется импульс положительной полярности, а при )2 Uv импульс отрицательной полярности формируется на выходе компаратора 9. Выходные импульсы компараторов 8 и 9 усиливаются ключевым усилителем 10 и через выходной ФНЧ 11 передаются на выход усилителя класса Д.

При и, на выходе ключевого усилителя 10 формируется двухтактная последовательность импульсов (фиг.46 полярность которых определяется полярностью усиливаемого сигнала. При /11м/ и на выходе ключевого усилителя 10 формируется последовательность разнополярных импульсов, , в паузе . между которыми оба канала ключевого усилителя 10 находятся в закрытом

состоянии (фиг. 4б).

Таким образом, в предлагаемом усилителе класса Д обеспечивается формирование смешанной импульсной последовательности, двухтактной при больших уровнях }U,, и однотактной - при малых уровнях усиливаемого сигнала U Это позволяет в предлагаемом усилителе класса Д получить динамический диапазон не менее чем у известного (40-45 дБ).

Так как скорость изменения пилообразных напряжений и Vg в однотактном режиме работы в области от до и в два раза вьппе, чем в остальной области, то длительность импульсов в предлагаемом усилителе класса Д находится следующим образом при U и однотактный режим работы длительность положительных импуль°° , «-г;Г длительность отрицательных импульсо . . U-UM . (2) при |Ujn(U двухтактный режим работы lUwl-U 2U скорость изменения пигде о(,лообразного напряжения в двухтактной области. Из (1), (2) и (3) следует, что в предлагаемом усилителе класса Д как в однотактном, так и в двухтактном режимах работы сохраняется пропорцио . нальность между входным и выходным сигналами. 2 UH где к - коэффициент усиления усилителя. Таким образом, в. предлагаемом усилителе класса Д,.в отличие от известного, обеспечение смешанного режима работы.не приводит к искажению амплитудной характеристики. В предлагаемом усилителе класса Д амплитудная характеристика практически линейна (фиг. 5, сплошная линия). В результате добавления в известный усилитель.дополнительных узлов и связей, в предлагаемом усилителе класса Д искажение выходного сигнала существенно меньше, чем у известного. Так, известный усилитель вследствие нелинейности амплитудной характеристики имеет, искажения выходного-сигнала1 порядка 4-5%, в предложенном искажения не превышают 2%.

УСШШТЕЛЬ КЛАССА Д, содержащий генератор пилообразного напряжения, выход которого через. последовательно соединенные первый блок смещения уровня, первый сумматор и первый компаратор соединен с первым входом ключевого усилителя, а также через.последовательно соединенные второй смещения уровня, второй сумматор, и второй компаратор соединен с вторым входом ключевого усилителя, к выходу.которого подключен выходной фильтр нижних частот, причем вторые входы первого и второго блоков смещения уровня и первого и второго сумматоров подключены к общей вине, а вторые входы первого и второго компараторов соединены меяду собой и являются входом усилителя класса Д, отличающийся тем, что, с целью уменьшения нелинейных искажений, выход генератора пилообразног о напряжения соединен с третьим входом первого сумматора через введенные последовательно включенные третий блок смещения уровня и амплитудньм селектор отрицательной полярности и через введенные последовательно соединенные четвертый СП блок смещения уровня и -амплитудньй селектор положительной полярности с третьим входом второго сумматора,, при этом вторые входы третьего и чет- s вертого блоков смещения уровня подключены соответственно к положительной и отрицательной шинам источника питания.

ФЛ9.1

о-ц/ AA/ V V V иг.г лл WV Л Л ТУ Фиг.З

Фиг Л

-1-0,5 -и О U O,SUM

Фиг. 5