CZ2003113A3 - Elektronický okruh pro konverzi signálu a zesilovač, v němž je tento okruh integrován - Google Patents

Description

Elektronický okruh pro konverzi signálu a zesilovač, v němž je tento okruh integrován

Oblast techniky

Tento vynález se týká v první řadě elektronického okruhu pro konverzi vstupního elektrického signálu. Týká se rovněž výkonového zesilovače pro snížení průběhu napěťového signálu.

Dosavadní stav techniky

Současné audio zesilovače vyhovují v zásadě jedné z těchto technologií:

První spočívá v použití dvou tranzistorů typu MOSFET (tranzistor z oblasti technologie s oxidem křemičitým), dodatečně zapojených na společný zdroj.

Přestože takové zapojení umožňuje dosáhnout dobrých výsledků pokud jde o kvalitu poslechu, neumožňuje dosáhnout významného zvýšení výkonu.

Druhá technologie spočívá v použití 2 tranzistorů MOSFET s kanálem N v pólovém tandemovém zapojení.

Jeden z tranzistorů je zapojen na společné sběrné elektrodě a druhý je zapojen na společném zdroji.

Tento typ zapojení je v současné době v oblasti hi-fi velmi úspěšný pro zvukové zesilovače třídy D (výkonový zesilovač s omezením průběhu signálu).

Toto tandemové pólové zapojení má však značnou nevýhodu, pokud jde o ovládání tranzistorů.

Mřížky každého tranzistoru MOSFET s kanálem N musí být v podstatě ovládány dvěma signály z různých zdrojů

Z tohoto důvodu vznikají problémy synchronizace ovládacích signálů. Vzhledem k tomu, že jejich simultánnosti není v praxi možné dosáhnout, nastávají při přeměně dvě špičky proudu.

Podle typu zapojení se může stát, že oba tranzistory budou po krátkou dobu pracovat souběžně, což někdy způsobuje špičky proudu, jež mohou dosáhnout několika stovek ampér.

Tyto výrazné špičky jsou samozřejmě škodlivé z hlediska výkonnosti systému i jeho spolehlivosti.

Abychom zamezili vzniku špiček proudu při přeměně, používá se běžně při této přeměně mrtvý čas.

• 999 9 9 9 9 9*9 9 • 9 9 9 9 *999

999 99 99 9999 99 99

Tím se sice vyhneme špičkám proudu, ale způsobí to obvykle také jiné nevýhody. Vložení mrtvého času totiž způsobuje zkresleni užitného signálu.

Nadto, mrtvý čas však neřeší problém vnitřní nerovnováhy tandemové pólové konfigurace: zapojení tranzistorů není souměrné, protože jeden je zapojen na společné sběrné elektrodě a druhý na společném zdroji.

Současné zesilovače nejsou zcela uspokojivé, protože neumožňují dosáhnout uspokojivého kompromisu mezi výkonem systému a spolehlivostí zesilování.

Z oblastí blízkých technologií je znám ze spisu FR-A-2.779.293 výstupní okruh s tranzistorem, jehož napětí je vyšší než průrazné napětí obou tranzistorů NMOS a PMOS, použitých pro vytvoření výstupního okruhu, které jsou sériově zapojeny a jejichž mřížky jsou vzájemně spojeny. Ovládací okruh potenciálu je napojen na mřížky a na zdroje těchto tranzistorů. Ovládací okruh potenciálu získává energii z napájení horního a spodního potenciálu. Ovládací okruh potenciálu používá střední referenční napětí na mřížkách tranzistorů. Jako odpověď na vstupní signál ovládá ovládací okruh potenciálu napětí používaná na zdrojích tranzistorů.

Toto zapojení však neznamená skutečný pokrok oproti tandemovému pólovému zapojení, protože oba ovládací signály jsou stále nutné.

Jde však výhradně o zapojení na společném zdroji.

Tento vynález má za cíl odstranit nevýhody současných zařízení a v první řadě navrhnout okruh, zajišťující jak vysoký výkon zesilování, tak vysokou kvalitu získaného signálu.

Předmět vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry elektronický okruh pro konverzi signálu ze vstupního elektrického signálu, sestávající z alespoň dvou tranzistorů s navzájem se doplňující polaritou zapojených na společné sběrné elektrodě, ovládacích prvků tranzistorů pro generování ovládacího signálu pro mřížky těchto tranzistorů, výstupní linky propojené se zdroji těchto tranzistorů, podle vynálezu, jehož podstata spočívá vtom, že ovládací prvky zahrnují vyrovnávací okruh, pro uzpůsobení ovládacího signálu napájený zdrojem vysokého potenciálu a zdrojem referenčního potenciálu, přičemž zdrojem referenčního potenciálu je výstupní linka. Jednou z prvních výhod vynálezu je, že má pouze jeden ovládací zdroj mřížek, čímž se vyloučí problémy při přeměně. Problémy se špičkami proudu ’ ’ » W « » » * * φ Φ » » φ φ φ · φφφ • «··» Φ β φφ φ Β

Τ · · · φ ««φφ ^J ·*· φφ ♦* φφφφ φφ φφ jsou už jen velmi malé nebo žádné, Z tohoto důvodu jsou ztráty výrazné snížené, aniž by docházelo k deformacím, jak je tomu v případě vkládání mrtvého času.

Protože ztráty jsou výrazně snížené, je možné předpokládat široký okruh použití tohoto vynálezu pro dosažení velmi vysokých výkonů a za připojení zařízení formou modulů nebo hybridních okruhů malého rozměru, a tedy velkého poměru výkonnosti k objemu s vyššími dynamickými vlastnostmi. Další výhodou vynálezu je, že nabízí prostředky ovládání, které tvoří ovládací zdroj mřížek a tranzistorů, aniž by bylo nutné použít izolační transformátor. Důsledkem je, že už neexistují omezení daná používáním izolačního transformátoru a je možný neomezený zdvih cyklického poměru.

Ve výhodném provedení obsahuje modulátor šířky impulsu, pro přeměnu vstupního signálu na signál s modulovanou šířkou impulsu, využitelného ovládacími prvky.

V dalším výhodném provedení obsahují ovládací prvky obsahují translátor šířky impulsu sestávající z komparátoru napojeného na vstupu na translátor šířky impulsu, takže jeho reverzní vstup přijímá signál s modulovanou šířkou impulsu a jeho nereverzní vstup přijímá reverzní signál s modulovanou šířkou impulsu signálu, a je na výstupu připojený na vstup vyrovnávacího okruhu.

V jiném výhodném provedení má komparátor zdroj vysokého potenciálu tvořený zdrojem vysokého potenciálu a zdrojem nízkého potenciálu tvořeného výstupní linkou.

V dalším výhodném provedení obsahují ovládací prvky na výstupu polarizační síť připojenou na výstupu na generátor napětí s konstantním proudem a s mřížkami tranzistorů.

V jiném výhodném provedení je spojení mezi mřížkami tranzistorů na výstupu polarizační sítě provedeno prostřednictvím sítě pro adaptaci úrovně.

V dalším výhodném provedení je obsažen filtr pro filtraci výstupního signálu.

Vynález se týká rovněž výkonového zesilovače s ořezáním průběhu signálu s napětím, integrujícího okruh podle vynálezu.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresu, na kterém obr.1 představuje schéma s obecným uspořádáním elektronického okruhu podle vynálezu a obr.2 znázorňuje výhodné provedení zapojení elektronického okruhu podle vynálezu.

· 0 0 0 ·«♦« 00 0*

Příklady provedení vynálezu

Zesilovač pro který je navrhován okruh podle vynálezu je zařazen do třídy D, tedy somezením napěťového signálu. Znázorněný elektronický okruh zobr.1 obsahuje nejméně dva tranzistory, zajišťující přeměnu úrovně vstupního signálu.

Přestože se jedná zejména o tranzistory s pólovým účinkem podle technologie MOS {Metal Oxid Silicium), vynález není v tomto směru omezen na tuto aplikaci a lze použít jiné typy tranzistorů (např. dvoupólové, typu IGBT, nebo např. kvantové).

Dále je popsán výhodný způsob provedení, kde se jedná o tranzistory s pólovým účinkem podle technologie MOS, které jsou dále nazývané jako MOSFET.

Způsobem známým z oblasti zesilovačů ve třídě D je signál určený k zesílení vstupuje do okruhu na úrovni modulátoru 1 šířky impulsu.

Jak je znázorněno na obrázku 1, modulátor 1 generuje kvadratický signál s modulovanou šířkou impulsu (signál s MŠI).

V případě tohoto vynálezu tvoří signál s modulovanou šířkou impulsu MŠI a jeho doplňkový signál MŠI' získaný běžnými prostředky a ty tvoří vstupní veličiny do ovládacích prvků 2.

Na obr.1 je schématicky znázorněno, že díky signálům s MŠI a doplňkovým signálem s MŠI' a díky napájení horního potenciálu Ví a spodního potenciálu V2 tvoří ovládači prostředky 2 bázi pro výstup ovládacího signálu 13.

Ovládací signál 13 zajišťuje ovládání mřížek obou tranzistorů označených 4 a 5.

Je také možné, aby pasivní síť 3 propojila obě mřížky, aby se provedla adaptace úrovně.

Tranzistory 4,5 mají vzájemně opačnou polaritu.

V případě technologie MOSFET je jeden tranzistor typu Canal N 4, druhý typu Canal P 5.

Výkonové napájení je tvořeno mezi horním potenciálem Vp připojeným na sběrnou elektrodu tranzistoru 4 a uzemněním G, připojeným na sběrnou elektrodu tranzistoru 5.

Na výstupu je vhodné umístit filtr 6. Při audio aplikaci se běžně jedná např. o kapacitně-indukční filtr s dolní propustí.

Podle tohoto vynálezu je signál 13 jediný signál pro ovládání mřížek tranzistorů 4 a 5. Takto se řeši výše uvedené problémy špiček při přeměně.

• ·· · · • « • ·

Výstupní linka 14 může být připojena na zdroje tranzistorů 4 a 5. To je vidět na schéma podle obr.2.

Výstupní signál vytvořený touto výstupní linkou je označen na obrázku 1 výrazem out.

Dále se budeme podrobněji věnovat jinému způsobu provedení vynálezu znázorněného na obrázku 2.

Je zde znázorněn výhodný způsob provedení ovládacích prvků 2.

Mezi ovládacími prvky 2 umožňuje vyrovnávací okruh W vytvoření kompatibilního ovládacího signálu.

Na vstupu je přijímán signál s modulovanou šířkou impulsu. Jeho napájení zajišťuje zdroj vysokého potenciálu V/ a referenčního potenciálu.

Způsobem charakteristickým pro vynález je referenční potenciál umístěn na výstupní lince 14. Vyrovnávací okruh 10 je tedy propojen s uzlem NI společným oběma zdrojům tranzistorů 4 a 5.

Na výstupu z vyrovnávacího okruhu 10 se nachází polarizační síť 12. Ta umožňuje stanovit bod statického fungování okruhu.

Na výstupu spojuje uzel N2 mřížky tranzistorů 4 a 5. Generátor 11 dodává elektrický signál s konstantním proudem a umísťuje nízký potenciál V2 ovládacího napájení. Další výhoda zde navrhovaného okruhu podle výhodného provedení spočívá v použití translátoru hladiny zvláštní konstrukce.

Za tímto účelem budou ovládací prostředky 2 obsahovat před vyrovnávacím okruhem 10 komparátor 9 tak, jak je zapojen na obrázku 2.

Jak je znázorněno, napájení komparátoru 9 bude podobné nebo odvozené od napájení vyrovnávacího okruhu 10, mezi vysokým potenciálem V] a referenčním potenciálem tvořeným výstupní linkou 14.

Reverzní a nereverzní vstupy komparátoru přijímají jeden po druhém signály s modulovanou šířkou impulsu MŠI a doplňkový MŠI’.

Použití takové sítě pro vytváření translace úrovně je výhodné oproti použití izolačního transformátoru, protože umožňuje neomezený zdvih cyklického poměru.

Okruh podle vynálezu a zesilovač, který je s ním spojen, mohou mít podstatně menší rozměry než nabízené možnosti přeměny.

Obrázek 2 znázorňuje také jak je zde proveden filtr 6.

··· · «

Průmyslová využitelnost

Vynález najde uplatnění zejména v oblasti přeměny elektrických signálů. Zesilovače zvukových signálů vysoké spolehlivosti bude možný při použití tohoto vynálezu i pro ovládání různých elektrických zařízení, zejména pro motory robotů.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektronický okruh pro konverzi signálu ze vstupního elektrického signálu , sestávající z alespoň dvou tranzistorů s navzájem se doplňující polaritou zapojených na společné sběrné elektrodě, ovládacích prvků (2) tranzistorů pro generování ovládacího signálu (13) pro mřížky těchto tranzistorů, výstupní linky (14) propojené se zdroji těchto tranzistorů, vyznačující se tím, že ovládací prvky (2) zahrnují vyrovnávací okruh (10), pro uzpůsobení ovládacího signálu, napájený zdrojem vysokého potenciálu (V^ a zdrojem referenčního potenciálu, přičemž zdrojem referenčního potenciálu je výstupní linka (14).
2. 2. Elektronický okruh podle nároku 1 vyznačující se tím, že obsahuje modulátor (1) šířky impulsu, pro přeměnu vstupního signálu na signál s modulovanou šířkou impulsu, využitelného ovládacími prvky (2).
3. 3. Elektronický okruh podle jednoho z nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že ovládací prvky obsahují translátor šířky impulsu (1) sestávající z komparátoru (9) napojeného na vstupu na translátor šířky impulsu (1), takže jeho reverzní vstup přijímá signál s modulovanou šířkou impulsu a jeho nereverzní vstup přijímá reverzní signál s modulovanou šířkou impulsu signálu, a je na výstupu připojený na vstup vyrovnávacího okruhu (10).
4. 4. Elektronický okruh podle nároku 3, vyznačující se tím, že komparátor (9) má zdroj vysokého potenciálu tvořený zdrojem vysokého potenciálu Ví a zdrojem nízkého potenciálu tvořeného výstupní linkou (14).
5. 5. Elektronický okruh podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že ovládací prvky obsahují na výstupu polarizační síť (12) připojenou na výstupu na generátor (11) napětí s konstantním proudem a s mřížkami tranzistorů.
6. 6. Elektronický okruh podle nároku 5, vyznačující se tím, že spojení mezi mřížkami tranzistorů na výstupu polarizační sítě (12) je provedeno prostřednictvím sítě (3) pro adaptaci úrovně.

   « *

   4 · · · ·«·· g 444 ·· »· ««·* Μ ··
7. 7. Elektronický okruh podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že obsahuje filtr (6) pro filtraci výstupního signálu.
8. 8. Výkonový zesilovač pro omezení napěťového signálu vyznačující se tím, že v něm je integrován elektronický okruh podle některého z nároků 1 až 7.

   '/ I