Цифровой усилитель мощности Советский патент 1985 года по МПК H03F3/217 

-.1

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при усилении до большого уровня мощности низкочастотных сигналов.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и снижение нелинейных искажений.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема цифрового усилителя мощности; на фиг. 2 - . принципиальная электрическая схема ключевого усилителя, выполненного по мостовой схеме , на фиг. 3 временные диаграммы напряжений в узловых точках схемы цифрового усилителя мощности.

Цифровой усилитель мощности на фиг. 1 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, селектор полярности 2, блок вычитания 3, коммутаторы Д, ключевые усилители 5( - 5j,, дополнительные фильтры нижних частот (ФНЧ) 6 - 6 , выходной весовой сумматор 7, дополнительный весовой сумматор 8, фильт нижних частот (ФНЧ) 9, линейньй усилитель 10, при этом каждый ключевой усилитель 5 (фиг. 2) выполнен по мостовой схеме на транзисторах 1116, диодах 17 и 18 и источнике 19 напряжения смещения, причем на фиг. За представлено напряжение вхоного сигнала, на фиг. 36 - выходное напряжение селектора полярности 2, на фиг. Зв - выходное напряжение младшего (первого) разряд4 АЦП 1, на фиг. Зг - выходное напряжение линейного усилителя 10, на фиг. Зд выходное напряжение ключевого усилителя 5 , на фиг. Зе - выходное напряжение цифрового усилителя мощности при работе одного ключевого усилите-ття 5j младщего разряда (результат суммирования выходных напряжений ключевого (.фиг. Зд) и линейного (фиг. Зг) усилителей 5 и 10).

Цифровой усилитель мощности работает следунщим образом.

В исходном состоянии обеспечивается низкое выходное сопротивление ключевых усилителей 5 с - 5 f, благодаря введению в их состав диодов 17 и 18 (фиг. 2) и источника 19 напряжения смещения открывающей полярности, вследствие чего для любого постороннего напряжения на выходньк клеммах ключевых усилителей 5 (.- 5f, обеспечивается режим корот795172

кого зам111кания через последовательно соединенные насыщенный транзистор 11 (13) одного плеча и открытый диод 18 (17) другого плеча (фиг. 2). 5 Поэтому до момента начала работы АЦП 1 напряжения на его разрядных выходах равны нулю, равна нулю и сумма нулевых выходных напряжений ключевых усилителей 5 - 5fj, и сиг0 нал, усиленный только линейным

усилителем 10, через выходные цепи ключевых усилителей 5( - 5(, имеющих практически нулевое выходное сопротивление, без потерь поступает

5 в нагрузку.

Таким образом, при малых уровнях выходного сигнала цифровой усилитель мощности работает как типовой линейный усилитель.

0 В случае дальнейшего увеличения уровня входного сигнала начинает работать АЦП 1, формирующий на своих выходах кодовые комбинации, соответствующие вели1гине усиливаемого

5 сигнала и поступающие на ключевые усилители 5 - 5 ц и через дополнительные ФНЧ 6, - 6f, на выходной весовой сумматор 7.

Для примера рассмотрим работу

д блоков цифрового усилителя мощности, соответствующих одному младшему разряду АЦП 1 и выходного весового сумматора 7. При наличии на выходе младшего (первого) разряда АЦП 1 сигнала логической единицы

он подается через коммутатор 4{- на тот или иной вход ключевого усилителя 5 J в зависимости от выходного сигнала селектора полярности 2 (логическая единица соответствует положительной полярности входного сигнала и обеспечивает подачу сигнала возбуждения на вход ключевого усилителя 5( (фиг. 2), а логический нуль соответствует отрицательной полярности и обеспечивает возбуждение другого входа ключевого усилителя 5,);

Таким образом, ос.уществляется 0 формирование на выходе ключевого

усилителя 5| прямоугольного импульса, полярность которого соответствует полярности входного сигнала, а амплитуда определяется напряжением источника питания.

Совершенно аналогичные процессы происходят при большей величине входного сигнала, когда выходной сигнал следующего по весу разряда (второго) АЦП 1 при посредстве коммутатора 4, усиливается ключевым усилителем 5. Очевидно в то же время, что сиг нал логической единицы с соответст вующего выхода сработавшего коммутатора 4|подается через дополнител ный весовой сумматор 8 на второй вход блока вычитания 3, в котором он с определенным весом вычитается из входного усиливаемого сигнала. Полученная разность напряжений через ФНЧ 9 подается на вход линейного усилителя 10, который всегда работает в линейном режиме. , В свою очередь выходные сигналы ключевых усилителей 5 после фильтрации из них высокочастотных составляющих дополнительными ФНЧ 6 суммируются в выходном весовом сумматоре 7 с выходным сигналом линейного усилителя 10. В результате на выходе цифрового усилителя мощности формируется сигнал, по форме полностью идентичный входному. Необходимо отметить, что в цифро вом усилителе мощности (фиг. 1) величина искажений усиливаемых сигналов определяется только разницей во времени прохождения сигналов через линейный усилитель и ключевые каналы (или разницей фазочастотных характеристик каналов), в то время как в известных устройствах она зависит от того, насколько близко к нулю время прохождения сигнала по цепи обратной связи. И вследствие того, что это время всегда конечно, то для обеспечения меньшего уровня искажений в цифровом усилителе мощности не существует принципиальных трудностей достижения идентичности упомянутых фазочастотных характеристик. Кроме того, возникающие в усилителях искажения сигналы могут быть уменьшены введением отрицательной обратной связи ООС, для чего часть выходного напряжения подается на вход линейного усилителя 10. Вынесение ФНЧ 9 до линейного усилителя 10 обусловлено линейностью операции фильтрации и усиления, для которьк применим принцип суперпозиции. Поэтому на точности воспроизведения формы усиливаемого сигнала местоположение фильтра в линейном канале не отражается. Однако описанное схемное построение позволяет значительно смягчить требования к величине постоянной времени цепи ООС, поскольку контур ООС в этом случае работает только на низких частотах, лежащих в пределах полосы пропускания ФНЧ 9, которая совпадает с полосой пропускания дополнительных ФНЧ 6, - 6иf

k:::

ЦИФРОВОЙ УСШШТЕЛЬ МОЩНОСТИ, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом цифрового усилителя мощности и соединен с входом селектора полярности, ц коммутаторов, входы которых соединены с соответствующими выходами аналого-цифрового, преобразователя, управляющие входы соединены с выходом селектора полярности, выходы Ц коммутаторов подключены к соответствующим входам п. ключевых усилителей, а также выходной весовой сумматор и фильтр нижних частот, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и снижения нелинейных искажений, введены дополнительный весовой сумматор, блок вычитания, линейный усилитель и П дополнительных фильтров нижних .частот, включенных между выходами ц ключевых усилителей, вьтолненных по мостовой схеме, и соответствующими входами выходного весового сумматора, П +1 вход которого соединен с выходом линейного усилителя, причем выходы п коммутаторов соедиi нены, с соответствующими входами (Л дополнительного весового сумматора, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого соединен с входом аналогоцифрового преобразователя, а выход через, фильтр нижних частот - с выходом выходного весового сумматора и входом линейного усилителя. (;о ел Ч

fpue. 3