RU2188498C1 - Class d dual-channel amplifier - Google Patents
Class d dual-channel amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2188498C1 RU2188498C1 RU2001102692A RU2001102692A RU2188498C1 RU 2188498 C1 RU2188498 C1 RU 2188498C1 RU 2001102692 A RU2001102692 A RU 2001102692A RU 2001102692 A RU2001102692 A RU 2001102692A RU 2188498 C1 RU2188498 C1 RU 2188498C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifiers
- frequency
- capacitor
- key
- pulse
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и звукоподводной связи. The invention relates to the field of amplification and generator technology and can be used in broadband transmission paths of the audio frequency range for broadcasting and sound transmission.
Известны усилители класса D [1, 2], использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот. Реализация методов ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку. Потери мощности в ключевых усилителях, как правило, не превышают 0,1 от полной выходной мощности РZ=UH•IH, в то время как для линейных усилителей даже в наиболее эффективной режиме В относительные потери достигают величин 1,0-1,3РZ при типовых значениях cosφН = 0,1-0,3 (где φН - фазовый сдвиг между током и напряжением; φH = ZH/RH - отношение активного сопротивления нагрузки RH к полному импедансу ZH для параллельной схемы замещения).Class D amplifiers are known [1, 2], using pulse-width modulation (PWM) and providing highly efficient amplification of broadband signals in the audio frequency range. The implementation of key amplification methods compares favorably with PWM amplifiers from linear amplifiers from an energy point of view, especially when operating on complex load. Power losses in key amplifiers, as a rule, do not exceed 0.1 of the total output power P Z = U H • I H , while for linear amplifiers, even in the most efficient mode B, the relative losses reach 1.0-1, 3Р Z at typical values cosφ Н = 0.1-0.3 (where φ Н is the phase shift between current and voltage; φ H = Z H / R H is the ratio of the load resistance R H to the total impedance Z H for a parallel circuit substitution).
Для усиления знакопеременных низкочастотных (НЧ) сигналов используются известные усилители с ШИМ в режиме класса AD [1]. Известные устройства содержат широтно-импульсный преобразователь (ШИП), ключевой усилитель мощности (КУМ), выполненный, например, по полумостовой схеме, и фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на дросселе и конденсаторе, включенном параллельно нагрузке. To amplify alternating low-frequency (LF) signals, well-known PWM amplifiers are used in AD class mode [1]. Known devices include a pulse-width converter (SHIP), a key power amplifier (KUM), made, for example, according to a half-bridge circuit, and a low-pass filter (LPF), made on a choke and capacitor connected in parallel with the load.
Принцип действия усилителей с ШИМ в режиме класса AD основан на преобразовании усиливаемого сигнала в последовательность импульсов, модулированных по длительности, ключевом усилении по мощности и демодуляции НЧ составляющих импульсного напряжения фильтром нижних частот на нагрузке. Ключевое усиление импульсного сигнала обуславливает весьма малые потери в усилительных приборах, находящихся в открытом либо закрытом состоянии. Основные потери энергии в ключевых элементах связаны с изменением их состояния, соответствующим фронту либо спаду импульсов модулированного сигнала. Таким образом, потери энергии практически пропорциональны частоте переключений (частоте следования импульсов) и могут быть уменьшены при соответствующем уменьшении частоты модулированной импульсной последовательности. The principle of operation of amplifiers with PWM in class AD mode is based on converting the amplified signal into a sequence of pulses modulated in duration, key gain in power and demodulation of the low-frequency components of the pulse voltage with a low-pass filter at the load. The key amplification of the pulse signal causes very small losses in amplification devices that are in the open or closed state. The main energy losses in the key elements are associated with a change in their state corresponding to the front or the decline of the pulses of the modulated signal. Thus, the energy loss is practically proportional to the switching frequency (pulse repetition rate) and can be reduced with a corresponding decrease in the frequency of the modulated pulse sequence.
Вместе с тем импульсная модуляция, ключевое усиление и последующая частотная демодуляция сигнала в усилителях класса D приводит к значительным комбинационным искажениям. Составляющие комбинационных частот Ωkn = kω-nΩ(ω- частота переключении, Ω - частота усиливаемого сигнала) проникают в полосу пропускания ФНЧ, что заметно ухудшает характеристики качества известных устройств. Характерной особенностью усилителей с ШИМ в режиме AD является формирование и усиление однотактной импульсной последовательности, близкой к меандру при малых уровнях усиливаемого НЧ сигнала. При этом составляющие частоты переключений после ФНЧ с частотой следа ΩC = 0,2ω достигают заметного уровня (до минус 30 дБ от максимальной UМ амплитуды НЧ сигнала), что ограничивает динамический диапазон усиления и приводит к возрастанию коэффициента нелинейных искажений КНЧ от 2-3% при номинальном напряжении UH=0,7•UM до 20-30% при UH=0,1•UM.At the same time, pulse modulation, key amplification, and subsequent frequency demodulation of the signal in class D amplifiers leads to significant Raman distortions. The components of the combination frequencies Ω kn = kω-nΩ (ω is the switching frequency, Ω is the frequency of the amplified signal) penetrate the passband of the low-pass filter, which noticeably degrades the quality characteristics of the known devices. A characteristic feature of amplifiers with PWM in AD mode is the formation and amplification of a single-cycle pulse sequence close to the square wave at low levels of the amplified low-frequency signal. In this case, the components of the switching frequency after the low-pass filter with a trace frequency Ω C = 0.2ω reach a noticeable level (up to minus 30 dB from the maximum U M of the amplitude of the low-frequency signal), which limits the dynamic range of amplification and leads to an increase in the coefficient of nonlinear distortion of the low-frequency from 2- 3% at rated voltage U H = 0.7 • U M up to 20-30% at U H = 0.1 • U M.
В случае работы на комплексную нагрузку, например в трактах звукоподводной связи, отношение верхней частоты ΩB усиливаемого сигнала к частоте среза ΩC ФНЧ, равное ΩB/ΩC = 0,5, является необходимым условием обеспечения стабильности амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик выходного напряжения усилительного устройства. При этом характеристики качества выходного сигнала могут быть улучшены с повышением отношения ω/ΩB до 15-20. Для верхней частоты ΩB = 15 кГц выполнение этого условия возможно при ω = 200-300 кГц. Реализация ключевых усилителей мощности на основе перспективной элементной базы для таких частот переключения приводит к потерям энергии не менее 0,2•PZ, что соответствует КПД усилительного устройства не более 80%.In the case of operation on a complex load, for example in sound paths, the ratio of the upper frequency Ω B of the amplified signal to the cutoff frequency Ω C LPF equal to Ω B / Ω C = 0.5 is a necessary condition for ensuring the stability of the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the output voltage amplifier device. Moreover, the quality characteristics of the output signal can be improved by increasing the ratio ω / Ω B to 15-20. For the upper frequency Ω B = 15 kHz, the fulfillment of this condition is possible at ω = 200-300 kHz. The implementation of key power amplifiers based on a promising element base for such switching frequencies leads to energy losses of at least 0.2 • P Z , which corresponds to an efficiency of the amplifier device of not more than 80%.
Известны способы повышения КПД ключевых усилителей с ШИМ, основанные на использовании режима BD [1, 3]. Такой режим возможен в ключевых усилителях мощности (КУМ), выполненных по мостовым схемам при управлении усилительными приборами от двухтактного широтно-импульсного преобразователя. В усилителях с ШИМ в режиме BD динамические потери энергии могут быть уменьшены более чем в 1,5-2 раза, так как усиление одной полуволны сигнала осуществляется только одной диагональю мостовой схемы. При смене полярности полуволны усиление сигнала обеспечивается другой диагональю мостовой схемы. Known methods for increasing the efficiency of key amplifiers with PWM, based on the use of BD mode [1, 3]. This mode is possible in key power amplifiers (KUM), made according to bridge circuits when controlling amplifying devices from a push-pull pulse-width converter. In amplifiers with PWM in BD mode, dynamic energy losses can be reduced by more than 1.5-2 times, since the amplification of one half-wave signal is carried out by only one diagonal of the bridge circuit. When changing the polarity of the half-wave signal amplification is provided by another diagonal of the bridge circuit.
Наличие фазового сдвига между выходным напряжением и током КУМ приводит к значительным нелинейным искажениям выходного сигнала вследствие обрыва тока дросселя ФНЧ. Известны технические решения [3], позволяющие уменьшить эти искажения за счет переключения диагоналей мостовой схемы при изменении выходного тока. Вместе с тем, в мостовой схеме КУМ в режиме BD имеют место характерные искажения при малых уровнях сигнала, аналогичные искажениям в линейных усилителях класса В. Для ключевых усилителей искажения такого вида объясняются наличием задержек τ3 включения ключевых элементов, относительная τ3 величина которых ω/2π достигает 3-5% при частоте переключении f = ω/2π≈100 кГц.The presence of a phase shift between the output voltage and the current of the CMC leads to significant nonlinear distortion of the output signal due to the interruption of the current of the LPF inductor. Known technical solutions [3], allowing to reduce these distortions by switching the diagonals of the bridge circuit when the output current changes. At the same time, characteristic amplitudes at low signal levels similar to those in class B linear amplifiers are observed in the QCM bridge circuit in the BD mode. For key amplifiers, distortions of this kind are explained by the presence of delays τ 3 of switching on the key elements, the relative τ 3 of which is ω / 2π reaches 3-5% at a switching frequency of f = ω / 2π≈100 kHz.
Введение таких задержек является необходимым условием устранения сквозных токов через ключевые элементы и соответственно надежной работы усилительного устройства. В свою очередь наличие задержек при малых выходных токах приводит к обрыву выходного тока дросселя и искажению амплитудной характеристики. Вид искажений в этой зоне имеет форму ступеньки, относительная величина которой достигает значения 2τ3f≈6-10%. Для усилителей в режиме BD зона искажения амплитудной характеристики соответствует малым входным сигналам и может быть определена как зона "молчания". При изменении входного сигнала в этой зоне напряжение на выходе усилителя отсутствует, что ограничивает динамический диапазон такого устройства на уровне 20-30 дБ. Наличие искажений амплитудной характеристики обуславливает гармонические искажения выходного напряжения, величина которых возрастает от 2-3% до 30% при изменении выходного напряжения от 0 дБ до минус 20 дБ. Таким образом, некоторое уменьшение комбинационных искажений в усилителе режима BD по сравнению с режимом AD связано с ростом гармонических искажений и ограничением динамического диапазона усиления.The introduction of such delays is a necessary condition for eliminating the through currents through the key elements and, accordingly, the reliable operation of the amplifier device. In turn, the presence of delays at low output currents leads to a break in the output current of the inductor and distortion of the amplitude characteristic. The type of distortion in this zone has the shape of a step, the relative value of which reaches 2τ 3 f≈6-10%. For amplifiers in BD mode, the distortion zone of the amplitude response corresponds to small input signals and can be defined as a “silence” zone. When the input signal changes in this zone, there is no voltage at the output of the amplifier, which limits the dynamic range of such a device to 20-30 dB. The presence of distortion of the amplitude characteristic causes harmonic distortion of the output voltage, the value of which increases from 2-3% to 30% when the output voltage changes from 0 dB to minus 20 dB. Thus, a certain decrease in the Raman distortion in the amplifier of the BD mode compared to the AD mode is associated with an increase in harmonic distortion and the limitation of the dynamic gain range.
Наиболее близким к предлагаемому является двухканальный усилитель с ШИМ в режиме AD, описанный в авторском свидетельстве 1438583 [4]. Устройство-прототип выполняется по известным правилам на парофазном генераторе пилообразного напряжения (ГПН), двух компараторах, включенных по схеме парофазного широтно-импульсного преобразователя, двух ключевых усилителях мощности, двух дросселях и конденсаторе фильтра, причем выходы парофазного генератора пилообразного напряжения соединены с первыми входами соответствующих компараторов, вторые входы которых соединены с шиной входного сигнала, а выходы подключены к входам ключевых усилителей мощности, шины электропитания которых соединены с шинами первичного напряжения, а выходы через соответствующие дроссели подключены к конденсатору фильтра и выходным сигналам устройства. Closest to the proposed is a two-channel PWM amplifier in AD mode, described in copyright certificate 1438583 [4]. The prototype device is executed according to well-known rules on a vapor-phase sawtooth voltage generator (GPN), two comparators connected according to the scheme of a pulse-width pulse-width converter, two key power amplifiers, two chokes and a filter capacitor, and the outputs of the sawtooth voltage-phase generator connected to the first inputs of the corresponding comparators, the second inputs of which are connected to the input signal bus, and the outputs are connected to the inputs of key power amplifiers, which power bus x are connected to the primary voltage buses, and the outputs are connected through the corresponding chokes to the filter capacitor and the output signals of the device.
Структурная схема устройства-прототипа, представленная на фиг.2, содержит парафазный ШИП 1, включающий ГПН 1.1, компараторы 1.2, 1.3, а также ключевые усилители 2, 3, дроссели 4, 5, конденсатор 6. Ключевые усилители мощности устройства-прототипа могут быть выполнены по известной схеме патента США 4115740 на полумостовых схемах, включенных параллельно шинами электропитания к шинам первичного напряжения. Каждая полумостовая схема выполняется на двух ключевых элементах с задержкой включения, необходимой для их надежной работы. The block diagram of the prototype device shown in figure 2, contains a
Двухканальный усилитель работает следующим образом. ГПН 1.1 формирует два пилообразных взаимно противофазных напряжения UП1, UП2, поступающих на первые входы компараторов 1.2, 1.3, на вторые входы которых поступает входной сигнал U. В результате сравнения входного сигнала с пилообразными напряжениями формируются две последовательности импульсов, модулированных по длительности, которые усиливаются по мощности и выделяются на выходах КУМ 2, 3 в виде импульсных напряжений V1, V2:
V1=E sign[U(t)-UП1(t)],
V2=E sign[U(t)-UП2(t)].Two-channel amplifier operates as follows. GPN 1.1 generates two sawtooth mutually antiphase voltages U П1 , U П2 , supplied to the first inputs of comparators 1.2, 1.3, to the second inputs of which the input signal U is received. As a result of comparing the input signal with sawtooth voltages, two pulse trains of duration-modulated amplified by power and allocated at the outputs of
V 1 = E sign [U (t) -U P1 (t)],
V 2 = E sign [U (t) -U P2 (t)].
Импульсные напряжения V1, V2 подаются на входы соответствующих дросселей 4, 5, через которые замыкаются низкочастотные и высокочастотные составляющие тока. Амплитуда НЧ тока IНЧ определяется относительной амплитудой входного сигнала m=UM/UПМ, напряжением питания Е и импедансом нагрузки ZН:
IНЧ=Еm/ZН.The pulse voltages V 1 , V 2 are applied to the inputs of the
I LF = Em / Z N.
Максимальная амплитуда ВЧ тока IВЧМ имеет место при минимальном входном сигнале и определяется выражением
IВЧМ=E/4fL,
где L - индуктивность дросселя 4, 5.The maximum amplitude of the HF current I HF takes place at the minimum input signal and is determined by the expression
I HFM = E / 4fL,
where L is the inductance of the
Высокочастотные составляющие тока дросселей 4, 5 при малых уровнях сигнала взаимно противофазные, чем достигается значительное уменьшение высокочастотных составляющих выходного напряжения, формируемого на конденсаторе 6 фильтра. Указанное преимущество выгодно отличает устройство-прототип от известных одноканальных усилителей с ШИМ в режиме AD. The high-frequency components of the current of the
Вместе с тем в двухканальном усилителе с ШИМ сохраняются преимущества режима AD, а именно наличие ВЧ тока при малых уровнях сигнала обеспечивает линейность амплитудной характеристики и минимизацию гармонических искажений малых выходных напряжений на уровне 2-3%. В свою очередь компенсацией ВЧ составляющих тока отдельных каналов достигаются малые пульсации выходного напряжения и расширение динамического диапазона до 40-50 дБ. At the same time, the advantages of the AD mode are retained in a two-channel PWM amplifier, namely, the presence of an RF current at low signal levels ensures linearity of the amplitude characteristic and minimization of harmonic distortion of small output voltages at the level of 2-3%. In turn, by compensating the RF components of the current of individual channels, small ripples of the output voltage and expansion of the dynamic range up to 40-50 dB are achieved.
Наряду с выделенными преимуществами устройство-прототип имеет недостатки, присущие одноканальным усилителям в режиме AD. Импульсные напряжения с одноканальной ШИМ для каждого канала усилителя фильтруются отдельным ФНЧ. При этом сохраняются требования отношения частот ΩB,ΩC,ω, необходимые для реализации ключевого усилительного устройства, особенно при работе на комплексную нагрузку:
ω/ΩC≥10; ΩC/ΩB≥2.
Соответственно, отношение частоты переключений в каналах усиления к верхней частоте усиливаемого сигнала должно быть не менее 20. Отмеченное условие приводит к необходимости повышения частоты переключений и, соответственно, к возрастанию динамических потерь энергии, и, соответственно, к уменьшению КПД устройства.Along with the highlighted advantages, the prototype device has the disadvantages inherent in single-channel amplifiers in AD mode. Pulse voltages with a single-channel PWM for each channel of the amplifier are filtered by a separate low-pass filter. At the same time, the requirements of the frequency ratio Ω B , Ω C , ω, which are necessary for the implementation of a key amplification device, especially when working on a complex load, are preserved:
ω / Ω C ≥10; Ω C / Ω B ≥2.
Accordingly, the ratio of the switching frequency in the amplification channels to the upper frequency of the amplified signal should be at least 20. The noted condition leads to the need to increase the switching frequency and, accordingly, to increase the dynamic energy loss, and, accordingly, to reduce the efficiency of the device.
Дополнительно, параллельное сложение выходных сигналов каналов усиления, реализованное в устройстве-прототипе, приводит к разбалансу выходных токов ключевых усилителей мощности. Так как ключевые элементы имеют весьма малые собственные остаточные напряжения V0/Е=0,01-0,03, то даже незначительный разбаланс в длительности импульсных процессов, например 2-4%, приводит к существенному разбалансу низкочастотных выходных токов более чем на 20-50%. Наличие такого разбаланса приводит к разной токовой загрузке ключевых элементов КУМ и, как следствие, к понижению надежности их работы.Additionally, the parallel addition of the output signals of the amplification channels implemented in the prototype device leads to an imbalance in the output currents of the key power amplifiers. Since the key elements have very small intrinsic residual voltages V 0 / E = 0.01-0.03, even a slight imbalance in the duration of pulse processes, for example 2-4%, leads to a significant imbalance of low-frequency output currents of more than 20- fifty%. The presence of such an imbalance leads to different current loading of the key elements of the CMC and, as a result, to a decrease in the reliability of their operation.
Таким образом, устройство-прототип характеризуется пониженной эффективностью и надежностью работы, что ограничивает область его применения в передающих трактах. Thus, the prototype device is characterized by reduced efficiency and reliability, which limits the scope of its application in transmission paths.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы при улучшении характеристик качества выходных сигналов двухканального ключевого усилителя класса D. The present invention is to improve energy efficiency and reliability while improving the quality characteristics of the output signals of a two-channel key amplifier class D.
Для решения поставленной задачи в известный двухканальный усилитель класса D, содержащий парафазный широтно-импульсный преобразователь, вход которого соединен с входной шиной устройства, а выходы - с соответствующими входами двух ключевых усилителей мощности, выполненных на полумостовых схемах, шины электропитания которых соединены параллельно и подключены к шинам положительного и отрицательного напряжения, выходы ключевых усилителей соединены параллельно через первый и второй дроссели, подключенные к конденсатору и выходным шинам устройства, дополнительно введены два трансформатора и дополнительный конденсатор, причем выводы первого и второго дросселей отключены от конденсатора и подключены к первым выводам первичных обмоток соответствующих трансформаторов, вторые выводы которых подключены к общей шине электропитания, в свою очередь вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно и включены между выводами конденсатора и выходными шинами устройства, а дополнительный конденсатор включен между выводами первого и второго дросселей. To solve this problem, a well-known two-channel amplifier of class D containing a paraphase pulse-width pulse converter, the input of which is connected to the input bus of the device, and the outputs are connected to the corresponding inputs of two key power amplifiers made on half-bridge circuits, the power buses of which are connected in parallel and connected to positive and negative voltage buses, the outputs of the key amplifiers are connected in parallel through the first and second reactors connected to the capacitor and the output buses devices, two transformers and an additional capacitor are additionally introduced, and the terminals of the first and second chokes are disconnected from the capacitor and connected to the first terminals of the primary windings of the respective transformers, the second terminals of which are connected to a common power bus, in turn the secondary windings of the transformers are connected in series and connected between the terminals capacitor and output buses of the device, and an additional capacitor is connected between the terminals of the first and second chokes.
Техническим результатом от использования предложенных решений является повышение энергетической эффективности и надежности работы посредством реализации режима класса ABD при последовательном сложении выходных сигналов каналов ключевого усиления. При этом в заявленном устройстве устраняется разбаланс токов каналов усиления, реализуются преимущества двухканальной ШИМ, позволяющие обеспечить понижение частоты переключений при улучшении характеристик качества выходных сигналов. The technical result from the use of the proposed solutions is to increase energy efficiency and reliability by implementing the class ABD mode with the sequential addition of the output signals of the key amplification channels. At the same time, the claimed device eliminates the imbalance of the currents of the gain channels, realizes the advantages of a two-channel PWM, which allows to reduce the switching frequency while improving the quality characteristics of the output signals.
Структурная схема предлагаемого устройства и временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу, представлены на фиг.1 и фиг.3. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг.2. The structural diagram of the proposed device and timing diagrams of signals explaining its operation are presented in figure 1 and figure 3. The structural diagram of the prototype device is presented in figure 2.
Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит парафазный ШИП 1, два ключевых усилителя КУМ 2, КУМ 3, дроссели 4, 5, конденсатор 6, а также два трансформатора 7, 8 и дополнительный конденсатор 9. Блоки предлагаемого технического решения выполняются по известным правилам, ключевые усилители мощности могут быть реализованы в соответствии с патентом США 4115740. The proposed device (figure 1) contains a
Работа предлагаемого двухканального ключевого усилителя класса D осуществляется следующим образом. The work of the proposed two-channel key amplifier class D is as follows.
В парафазном ШИП 1 по результату сравнения с противофазными пилообразными напряжениями UП1, UП2 усиливаемый сигнал U преобразуется в две последовательности широтно-модулированных импульсов, которые поступают на входы управления КУМ 2, 3. В результате на выходах КУМ 2, 3 формируются знакопеременные импульсные напряжения V1, V2 амплитудой Е, модулированные по длительности:
V1=E sign[U(t)-[UП1(t)],
V2=E sign[U(t)-UП2(t)].In a
V 1 = E sign [U (t) - [U П1 (t)],
V 2 = E sign [U (t) -U P2 (t)].
Импульсные напряжения V1, V2 через соответствующие дроссели 4, 5 и трансформаторы 7, 8 складываются последовательно и подключаются к выходному конденсатору 6 и выходным шинам устройства. Такое сложение эквивалентно подключению суммарного напряжения V через фильтр нижних частот второго порядка Lф Сф к нагрузке. Для коэффициента трансформации КТ суммарное напряжение V, приведенное к вторичным обмоткам, равно:
V=KТ(V1+V2).The pulse voltage V 1 , V 2 through the corresponding
V = K T (V 1 + V 2 ).
Параметры фильтра нижних частот в цепи нагрузки определяются индуктивностью L дросселей 4, 5 и емкостью С конденсатора 6:
Lф=2LКТ 2, Сф=С.The low-pass filter parameters in the load circuit are determined by the inductance L of the
L f = 2LK T 2 , C f = C.
Необходимо отметить, что включение дополнительного конденсатора 9 практически не влияет на характеристики выходного фильтра на полезных составляющих частот усиливаемого сигнала. Это обстоятельство объясняется тем, что НЧ составляющие напряжений V1, V2, определяемые усиливаемым сигналом, синфазны и равны по амплитуде. Следовательно, через конденсатор 9 НЧ составляющие тока практически не замыкаются.It should be noted that the inclusion of an additional capacitor 9 practically does not affect the characteristics of the output filter on the useful components of the frequencies of the amplified signal. This circumstance is explained by the fact that the low-frequency components of voltages V 1 , V 2 , determined by the amplified signal, are in phase and equal in amplitude. Therefore, through the capacitor 9 LF, the current components practically do not close.
В свою очередь, при двухканальной ШИМ высокочастотные составляющие с частотами осцилляции, группирующимися вокруг первой гармоники частоты переключений, в спектрах импульсных напряжений V1 и V2 взаимно противофазны. Соответственно, конденсатор 9 обеспечивает протекание высокочастотного тока через ключевые элементы КУМ 2 и 3, в том числе при малых уровнях модуляции (при малых уровнях усиливаемого сигнала). При больших уровнях модуляции высокочастотная составляющая выходного тока значительно уменьшается.In turn, with a two-channel PWM, high-frequency components with oscillation frequencies grouped around the first harmonic of the switching frequency in the pulse voltage spectra V 1 and V 2 are mutually antiphase. Accordingly, the capacitor 9 provides the flow of high-frequency current through the key elements of the
Таким образом, в предлагаемом устройстве при малых уровнях усиливаемого сигнала ток замыкается поочередно через ключевые элементы аналогично режиму AD, а при больших уровнях достигается последовательное сложение импульсных напряжений аналогично режиму BD. Такой режим работы может быть определен как режим класса ABD, характеризующийся улучшенными энергетическими характеристиками и показателями качества выходных сигналов. Преимуществом режима класса ABD, реализованном в предлагаемом устройстве, является последовательное сложение импульсных напряжений, что позволяет в полной мере использовать достоинства двухканальной ШИМ. Частота изменения суммарного импульсного сигнала вдвое превосходит частоту переключений отдельных каналов усиления при в два раза большем относительном уровне полезных НЧ составляющих в спектре сигнала, приведенного ко входу ФНЧ. Thus, in the proposed device at low levels of the amplified signal, the current closes alternately through the key elements similarly to the AD mode, and at high levels a sequential addition of pulse voltages is achieved similarly to the BD mode. This mode of operation can be defined as an ABD class mode, characterized by improved energy characteristics and quality indicators of the output signals. The advantage of the ABD class mode implemented in the proposed device is the sequential addition of pulse voltages, which allows you to fully use the advantages of a two-channel PWM. The frequency of change of the total pulse signal is twice the switching frequency of individual gain channels at twice the relative level of useful low-frequency components in the spectrum of the signal brought to the input of the low-pass filter.
Выделенное преимущество заявляемого технического решения позволяет практически в 1,5-2 раза снизить частоту переключений в каналах ключевого усиления, чем достигается соответственное уменьшение динамических потерь энергии. При этом наличие ВЧ составляющих тока через ключевые элементы при малых уровнях усиливаемого сигнала, обусловленное включением дополнительного конденсатора 9, позволяет устранить искажения амплитудной характеристики и обеспечение малых искажений при расширении динамического диапазона усиливаемых сигналов. The highlighted advantage of the proposed technical solution allows almost 1.5-2 times to reduce the switching frequency in the key amplification channels, thereby achieving a corresponding reduction in dynamic energy losses. In this case, the presence of the RF components of the current through the key elements at low levels of the amplified signal, due to the inclusion of an additional capacitor 9, eliminates distortion of the amplitude characteristic and provides small distortions when expanding the dynamic range of the amplified signals.
Таким образом, в предлагаемом двухканальном усилителе класса D включение дополнительного конденсатора и трансформаторов обеспечивает перспективный режим класса ABD при последовательном сложении сигналов с двухканальной ШИМ. Последовательное включение каналов КУМ обеспечивает равенство НЧ выходного тока, что выгодно отличает предлагаемое устройство и обеспечивает повышение надежности его работы по сравнению с устройством-прототипом. Неидентичность максимальных амплитуд выходного тока КУМ в устройстве-прототипе достигает 50-70%, а в предлагаемом устройстве не превышает 10%, чем достигается запас использования ключевых элементов по току и, следовательно, повышение надежности их функционирования. Thus, in the proposed two-channel amplifier of class D, the inclusion of an additional capacitor and transformers provides a promising mode of class ABD with sequential addition of signals from a two-channel PWM. The sequential inclusion of the KUM channels ensures the equality of the low-frequency output current, which distinguishes the proposed device and provides an increase in the reliability of its operation compared to the prototype device. The non-identity of the maximum amplitudes of the output current factor of the KUM in the prototype device reaches 50-70%, and in the proposed device does not exceed 10%, thereby achieving a margin of use of key elements in current and, therefore, increasing the reliability of their functioning.
Реализация режима ABD обеспечивает возможность понижения частоты переключений в 1,5-2 раза при улучшении характеристик качества выходного сигнала. Совокупность преимуществ предлагаемого устройства, обеспечиваемая введением новых элементов и связей, достигает решения задачи изобретения. The implementation of the ABD mode provides the possibility of lowering the switching frequency by 1.5-2 times while improving the quality characteristics of the output signal. The combination of advantages of the proposed device, provided by the introduction of new elements and relationships, achieves the solution of the problem of the invention.
Так, если известные усилительные устройства класса D при диапазоне частот усиливаемых сигналов 20 кГц имеют КПД не более 80-85% при нелинейных искажениях более 3% и динамическом диапазоне менее 40 дБ, то в предлагаемом устройстве обеспечивается КПД порядка 90-93%, нелинейные искажения не более 1% и динамический диапазон свыше 50 дБ. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявленного технического решения, что позволяет рекомендовать предлагаемое устройство к внедрению в передающие тракты радиовещания и звукоподводной связи. So, if the known class D amplifying devices with an amplified signal frequency range of 20 kHz have an efficiency of not more than 80-85% with non-linear distortions of more than 3% and a dynamic range of less than 40 dB, then the proposed device provides an efficiency of about 90-93%, non-linear distortions no more than 1% and dynamic range over 50 dB. Experimental studies have confirmed the advantages of the claimed technical solution, which allows us to recommend the proposed device for implementation in the transmitting paths of broadcasting and sound transmission.
Литература
1. Артым А. Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, с.207.Literature
1. Artym A. D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M .: Communication, 1980, p.207.
2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980, с. 232. 2. Kibakin V.M. The basics of key gain methods. M .: Energy, 1980, p. 232.
3. Алексанян А. А. , Галахов В.А. Искажения в двухтактных усилителях низкой частоты с ШИМ. Радиотехника, 1986, 10. 3. Aleksanyan A.A., Galakhov V.A. Distortion in push-pull PWM low-frequency amplifiers. Radio Engineering, 1986, 10.
4. А.с. 1438583, Ключевой регулятор. Н 03 К 7/02. Публ. 30.12.1990. 4. A.S. 1438583, Key Regulator. H 03 K 7/02. Publ. 12/30/1990.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001102692A RU2188498C1 (en) | 2001-01-29 | 2001-01-29 | Class d dual-channel amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001102692A RU2188498C1 (en) | 2001-01-29 | 2001-01-29 | Class d dual-channel amplifier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2188498C1 true RU2188498C1 (en) | 2002-08-27 |
Family
ID=20245390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001102692A RU2188498C1 (en) | 2001-01-29 | 2001-01-29 | Class d dual-channel amplifier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2188498C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2526280C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-08-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Abd hydroacoustic amplifier |
| RU2598336C1 (en) * | 2014-03-28 | 2016-09-20 | Шенджен Скайуорс-Ргб Электроник Ко., Лтд | D class amplifier chip with filling factor limitation function and its design |
| RU2780661C1 (en) * | 2021-10-26 | 2022-09-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer |
-
2001
- 2001-01-29 RU RU2001102692A patent/RU2188498C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2526280C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-08-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Abd hydroacoustic amplifier |
| RU2598336C1 (en) * | 2014-03-28 | 2016-09-20 | Шенджен Скайуорс-Ргб Электроник Ко., Лтд | D class amplifier chip with filling factor limitation function and its design |
| RU2780661C1 (en) * | 2021-10-26 | 2022-09-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| USRE42612E1 (en) | Switched-mode power amplifier using lumped element impedance inverter for parallel combining | |
| US6359513B1 (en) | CMOS power amplifier with reduced harmonics and improved efficiency | |
| US7221216B2 (en) | Self-oscillating switching amplifier | |
| US7649410B2 (en) | Systems and methods for improving performance in a digital amplifier by adding an ultrasonic signal to an input audio signal | |
| US20040047477A1 (en) | Power amplification for parametric loudspeaker | |
| US20110051473A1 (en) | Switching inverters and converters for power conversion | |
| CN105375888B (en) | The method of D classes switching amplifier and controlling loudspeaker | |
| US20060145755A1 (en) | Square wave modulation design for a class-D audio amplifier | |
| EP2332251B1 (en) | Pulse-width modulation with selective pulse-elimination | |
| JP2009536471A (en) | Power amplifier | |
| WO2020146591A1 (en) | Class d amplifier current feedback | |
| US6963189B2 (en) | Attenuation control for digital power converters | |
| US9263992B1 (en) | Class D amplifier with variable switching frequency | |
| WO2004023646A1 (en) | Class-f doherty amplifier | |
| RU2188498C1 (en) | Class d dual-channel amplifier | |
| US20060152277A1 (en) | Pulse modulated power converter | |
| JPH07231226A (en) | Class d power amplifier | |
| RU2526280C1 (en) | Abd hydroacoustic amplifier | |
| JP4739717B2 (en) | Distortion compensation circuit | |
| KR100453708B1 (en) | High-Efficiency Switching Amplifier | |
| RU2794346C1 (en) | Class d amplifier | |
| US10483914B2 (en) | Very high fidelity audio amplifier | |
| Li et al. | Development of a concurrent dual-band switch-mode power amplifier based on current-switching class-D configuration | |
| US20200228072A1 (en) | Class d amplifier stereo to mono converter | |
| GB2439983A (en) | Frequency compensation for an audio power amplifier |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20100429 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190130 |