Усилитель с широтно-импульсной модуляцией Советский патент 1992 года по МПК H03F3/217 

Изобретение относится к усилительной технике и может быть использовано в качестве усилителя мощности сигналов низкой частоты и постоянного тока.

Известны усилители с широтно-импульсной-модуляцией (ШИМ), содержащие ключевой усилитель, на первый вход которого поступает входной низкочастотный (НЧ) сигнал, а второй вход соединен с выходом генератора опорного напряжения. В зависимости от характера нагрузки выход ключевого усилителя может быть соединен с ней непосредственно или через фильтр нижних частот (ФНЧ), выделяющий на-йагрузке полезные НЧ составляющие усиленного по мощности импульсного сигнала.

Такие усилители имеют высокий КПД, однако им свойственны искажения выходного сигнала вследствие неидеальности параметров ключевых элементов ключевого усилителя (инерционность, остаточные напряжения открытых транзисторов и диодов) и нестабильности напряжения Ео питания его выходного каскада.

Для снижения таких искажений используют глубокую отрицательную связь с выхода ключевого усилителя, причем в цепь прямого усиления сигнала включают интегратор. Такие усилители с ШИМ обладают весьма низкими искажениями усиливаемого сигнала (до 1...2%) в широкомчастотном диапазоне.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является усилитель с ШИМ, содержащий интегратор, вход которого соединен с входом ключевого усилителя. Выход ключевого усилителя соединен с первым входом интегратора и является выходом устройства, второй вход интегратора соединен с выходом генератора опорного напряжения, а третий является входом устройства. В зависимости от характера нагрузки к выходу ключевого усилителя мржет бь1ть подключен ФНЧ.

Известный усилитель с ШИМ работает следующим образом.

Ключевой усилитель 5 включается при положительном напряжени на выходе интегратора 3, а выключается при отрицательном. При этом опорный сигнал генератора 4 имеет вид меандра (фиг. За), который интегрируется интегратором 3 и превращается в

линейно изменяющееся напряжение Uo (фиг. 36). Ключевой усилитель 5 переключается в момент равенства напряжения Uo и интеграла разности напряжений (Ui фиг. 36), поступивших на первый и второй входы интегратора 3. На первый вход интегратора 3 поступает импульсное напряжение UK ±/S Е с выхода ключевого усилителя 5, где Е - амплитуда импульсов, а коэффициент передачи напряжения с выхода усилителя 5 к входу интегратора 3. Благодаря применению в усилителе с ШИМ глубокой отрицательной обратной связи с выхода ключевого усилителя 5 на вход интегратора 3 искажения его выходного сигнала снижаются в несколько раз в достаточно широком диапазоне частот.

Однако вследствие включения в известном .устройстве в цепи прямого усиления интегратора 3 ему свойственны значительные специфические динамические и фазовые искажения сигналов даже при незначительной перегрузке по входу, т.е. при входном сигнале UM большем амплитуды импульсов UK .

Рассмотрим (фиг. 3) возникновение таких искажений на примере прямоугольного усиливаемого сигнала уЗ Е. В этом случае напряжение Ui-/ Ум-убЕ на протяжении времени присутствияНа входе устройства сигнала UM S Е возрастает довеличины Uim (фиг. 36). После смены знака усиливаемого сигнала (UM 0), напряжение Ui спадает, а на выходе ключевого усилителя 5 присутствует положительное напряжение Е интервал времени ts, пока Ui не спадет до амплитуды эквивалентного линейно-изменяюще4:ося напряжения Uo. Аналогичное явление происходит и при обратном изменении полярноости усиливаемого сигнала UM. Таким образом, при UM уЗ Е выходное напряжение ключевого усилителя сдвинуто относительно усиливаемого на интервал t3 (фазу Ау), который возрастает при увеличении UM (фиг. 4). Этот временной сдвиг может быть оценен из условия (фиг. 3):

( UM+/ Е ) тз - ( UM-/ Е ) (- - t3 ),

откуда

Jlci-AL)

4 - UM

тз

Таким образом, при UM 2;8Е фазовый сдвиг ограниченного по амплитуде сигнала в устройстве-прототипе может превышать

45° и достигать 90°, чего не наблюдается в устройстве без обратной связи и интегратора.

Кроме того, при воздействии на вход устройства импульсной помехи амплитудой Un и длительностью tn в течение

времени At(-7j-F--1 )tn усилитель находится в состоянии перегрузки и не воспринимает сигналы на входе, что приводит как к дополнительным динамическим искажениям усиливаемого сигнала, так и снижению надежности в работе устройства. В реальных условиях работы At достигает

0,5...5с(приип 6...1.0уЗЕ,,1...0,5с)и более, что ухудшает характеристики усиления устройства и делает невозможным его применение в режиме усиления сигналов с большим динамическим диапазоном (пик-фактором). Так, при усилении .сложного сигнала UM (фиг. 5 а), превышающего некоторое время уровень / Е, на выходе известного устройства возможна полная потеря информации по всем высокочастотным составляющим усиливаемого сигнала (фиг. 56).-

Цель изобретения - снижение динамических искажений.

Для достижения цели в известный усилитель с ШИМ, содержащий ключевой усилитель, вход которого соединен с выходом суммирующего интегратора, а выход-с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом усилителя с широтно-импульсной модуляцией и через блок отрицательной обратной связи соединен с первым входом суммирующего интегратора, второй вход которого подключен к выходу генератора опорного напряжЪния, введены пиковый детектор и управляемый ограничитель,, сигнальный вход которого является входом усилителя с щиротно-импульсной модуляцией, а выход соединен с третьим входом суммирующего интегратора, первый вход

которого соединен через пиковый детектор с управляющимвходом управляемого ограничителя.

Таким образом, обеспечивается ограничение амплитуды усиливаемого сигнала на

входе суммирующего интегратора на уровне амплитуды импульсов, поступающих через блок обратной связи с выхода ключевого усилителя и, следовательно, устраняется все виды динамических искажений. При изменении амплитуды импульсов (напряжения питания) ключевого усилителя, а также при изменении коэффициента передачи блока обратной связи автоматически изменяется и уровень ограничения.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа; на фиг. 2 - структурная схема предлагаемого усилителя; на фиг. 3 - диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу устройства-прототипа; на фиг. За - сигнал с выхода генератора 2 опорного напряжения; на фиг. 36 - результат интегрирования разности усиливаемого (Ум) и выходного (UK) сигналов, поступающих на первый и третий входы суммирующего интегратора 1-Ui; на фиг. За - усиливаемое напряжение UM и импульсное UK на фиг. 4 - зависимость фазового сдвига усиливаемого прямоугольного сигнала от его относительной амплитуды Е; на фиг. 5 выходные сигналы устройства-прртотипа (фиг. 56) и предлагаемого устройства (фиг. 5в) для сложного усиливаемого сигнала (фиг. 5а).

Усилитель с широтно-импульсной модуляцией содержит последовательно соединенные управляемый ограничитель 2, суммирующий интегратор 3 и ключевой усилитель 5, выход которого через блок 6 обратной связи соединен с входом интегратора 3, который в свою очередь через пиковый детектор 1 соединен с управляющим входом управляемого ограничителя 2. Второй вход суммирующего интегратора 3 соединен с выходом генератора 4 опорного напряжения, а ключевой усилитель 5 выходом подключен к входу ФНЧ 7. Возможные реализации пикового детектора 1, а также управляемого ограничителя 2 показаны на фиг. 2.

Суммирующий интегратор 3 может 6ь1ть выполнен на основе интегратора и сумматора (причем сигналы по всем входам могут суммироваться, если ключевой усилитель 5 является инвертирующим, в противном случае вход 1 интегратора 3 является инверсным, аналогично устройству-прототипу.

При малых усиливаемых напряжениях UM сигнал сШИМ на выходе ключевого усилителя 5 формируется, как в устройствепрототипе, в результате сравнения интеграла разности усиливаемого сигнала и

сигнала обратной Связи (UK ±/ Е) и прямоугольного напряжения генератора 4 опорного напряжения с нулевым потенциалом (порогом переключения ключевого усилителя 5).

При превышении усиливаемым напряжением DM уровня импульсного-сигнала UK ±/ЗЕ, поступающего по цепи обратной связи на первый вход суммирующего интегратора 3, оно ограничивается управляемым ограничителем 2 на уровне (0,90...0,95) UK. Необходимый порог ограничения формируется пиковым детектором 1 и подстраивается делителем напряжения R1R2 (фиг. 2).

Таким образом, при изменении амплитуды импульсов на выходе ключевого усилителя 5 порогограничения усиливаемого сигнала формируется оптимальным и напряжение на выходе интегратора не превышает амплитуды интегрированного напряжения генератора 4 опорного напряжения, что исключает задержку моментов переключения ключевого усилителя 5 и устраняет динамические искажения сигнала.

Формула изобретения Усилитель с широтно-импульсной модуляцией, содержащий ключевой усилитель, вход которого соединен с выходом суммирующего интегратора, а выход - с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом усилителя с широтно-импульсной модуляцией и через блок отрицательной обратной связи соединен с

первым входом суммирующего интегратора, второй вход которого подключен к выходу генератора опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения динамических искажений, введены пиковый

детектор и управляемый ограничитель, сигнальный вход которого является входом усилителя с широтно-импульсной модуляцией, а выход соединен с третьим входом суммирующего интегратора, первый вход

которого соединен через пиковый детектор с управляющим входом управляемого ограничителя.

r

-Л/г hФие. 3

Изобретение относится к^усилительной технике и может использоваться в. качестве усилителя мощности сигналов низкой частоты и постоянного тока. Цель изобретения - уменьшение динамических искажений. Цель достигается путем управления уровнями ограничения, входного сигнала непосредственно амплитудой импульсного сигнала обратной связи. 5 ил.

О

I 4 Q

фи5.

м

В

/5f рЕ

5