RU2273948C2 - Method for amplifying digital signals and digital amplifier - Google Patents

Method for amplifying digital signals and digital amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2273948C2
RU2273948C2 RU2004129565/09A RU2004129565A RU2273948C2 RU 2273948 C2 RU2273948 C2 RU 2273948C2 RU 2004129565/09 A RU2004129565/09 A RU 2004129565/09A RU 2004129565 A RU2004129565 A RU 2004129565A RU 2273948 C2 RU2273948 C2 RU 2273948C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
digital
output
channel
amplifier
Prior art date
Application number
RU2004129565/09A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004129565A (en
Inventor
н Гарри Романович Аванес (RU)
Гарри Романович Аванесян
Original Assignee
Гарри Романович Аванесян
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гарри Романович Аванесян filed Critical Гарри Романович Аванесян
Priority to RU2004129565/09A priority Critical patent/RU2273948C2/en
Publication of RU2004129565A publication Critical patent/RU2004129565A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2273948C2 publication Critical patent/RU2273948C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

FIELD: amplification equipment engineering, mainly meant for use in digital sound-reproducing lines, functioning with digital signals sources, and allows amplification of signals received directly from digital carrier without their preliminary transformation to analog form.
SUBSTANCE: method includes: multi-digit digital code, appropriate for count of analog signal, is split onto several portions, therefore forming partial digital signals of decreased digit capacity, then amplified and transformed after amplification to analog form, with following joining.
EFFECT: decreased distortions of output signal due to preservation of required resolution capability, determined by digit capacity of source digital code.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к усилительной технике и главным образом предназначено для использования в цифровых звуковоспроизводящих трактах, функционирующих с цифровыми источниками сигналов, например с проигрывателями Audio-CD, DVD-Audio и др. Изобретение позволяет усиливать сигналы, полученные непосредственно с цифрового носителя без предварительного их преобразования в аналоговую форму.The invention relates to amplification technology and is mainly intended for use in digital sound reproducing paths that operate with digital signal sources, for example, Audio-CD, DVD-Audio, and other players. The invention allows amplification of signals received directly from a digital medium without first converting them to analog form.

Усиление сигналов, представленных в виде модулированной по одному из временных параметров импульсной последовательности, позволяет использовать непосредственно для увеличения амплитуды и мощности сигналов каскады, работающие в режиме класса D, характеризующемся тем, что транзисторы находятся либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Указанное обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия усилителей, недостижимый для схем класса В. Наиболее распространенным видом модуляции в усилителях класса D является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), встречаются также усилители с частотно-импульсной модуляцией, реже с комбинацией нескольких видов модуляции. Демодуляция ШИМ-последовательности осуществляется достаточно просто фильтрами нижних частот (ФНЧ), часто роль которых выполняет частотно-избирательная нагрузка.The amplification of the signals, presented in the form of a pulse sequence modulated according to one of the time parameters, makes it possible to use directly to increase the amplitude and power of the signals cascades operating in a class D mode, characterized in that the transistors are either in a saturation state or a cutoff state. The above provides a sufficiently high efficiency of amplifiers, unattainable for Class B circuits. The most common type of modulation in Class D amplifiers is pulse width modulation (PWM), and there are also pulse frequency modulation amplifiers, less often with a combination of several types of modulation. PWM sequence demodulation is carried out quite simply by low-pass filters (low-pass filters), often the role of which is played by frequency-selective loading.

Классический способ усиления сигналов посредством их преобразования в импульсную последовательность состоит в том, что усиливаемый аналоговый сигнал преобразуют в ШИМ-последовательность, используя его как модулирующий, далее импульсы ШИМ-последовательности усиливают, после чего ШИМ-последовательность демодулируют, выделяя, таким образом, усиленный аналоговый сигнал [Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. М.: Мир, 1991, стр.226-227; Controller class-D audio amplifier TDA 8929T. Philips Semiconductors, 2001].The classical method of amplifying signals by converting them to a pulse sequence is that the amplified analog signal is converted into a PWM sequence using it as a modulating one, then the pulses of the PWM sequence are amplified, after which the PWM sequence is demodulated, thereby isolating the amplified analog signal [Shkritek P. Reference manual for sound circuitry. M .: Mir, 1991, pp. 226-227; Controller class-D audio amplifier TDA 8929T. Philips Semiconductors, 2001].

Способ используют для усиления сигналов, полученных от аналоговых источников. В то же время значительная часть современных носителей информации содержит информацию, представленную в цифровом виде. В этих случаях на вход усилителя целесообразно подавать цифровой код, как первичный сигнал, без преобразования его в аналоговую форму. Такой способ также известен, мало отличается от первого и состоит в следующем.The method is used to amplify signals received from analog sources. At the same time, a significant part of modern storage media contains information presented in digital form. In these cases, it is advisable to apply a digital code to the amplifier input as a primary signal, without converting it into an analog form. This method is also known, differs little from the first and is as follows.

Способ (прототип) усиления сигналов, представленных в цифровой форме, состоит в том, что N-разрядный цифровой код преобразуют в последовательность широтно-модулированных импульсов, которые усиливают, а после усиления ШИМ-последовательность демодулируют, преобразуя таким образом исходный цифровой сигнал в аналоговый [TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001].The method (prototype) of amplification of signals presented in digital form is that an N-bit digital code is converted into a sequence of pulse-width modulated pulses that amplify, and after amplification, the PWM sequence is demodulated, thereby converting the original digital signal into an analog [ TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001].

Цифровой усилитель, реализующий способ-прототип, содержит преобразователь цифрового кода (сигнала с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ)) в ШИМ-последовательность, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом цифрового усилителя, выходом которого является выход фильтра [TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001; TAS 5100A PWM power output stage. Texas Instruments, 2002].A digital amplifier that implements the prototype method comprises a digital code converter (pulse-code modulated (PCM) signal) into a PWM sequence, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to the output of the converter, the input of which serves as the input of a digital amplifier, the output of which is the output of the filter [TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001; TAS 5100A PWM power output stage. Texas Instruments, 2002].

Недостатком как способа-прототипа, так и устройств, его реализующих, является невысокая точность передачи формы сигнала. Искажения в выходном сигнале возникают по причине сложности преобразования многоразрядного цифрового кода в импульсы соответствующей ширины (длительности), т.е. не удается преобразовать цифровой код в ШИМ-последовательность с требуемым разрешением. Если входной N-разрядный код обеспечивает потенциальное разрешение, равное (2N-1)-1, то, по крайней мере, такую же разрешающую способность должен иметь и преобразователь ИКМ-ШИМ. При небольших N (примерно до 10) получить требуемое разрешение преобразователя еще можно, но для больших N сделать это крайне сложно. Широко применяемый в настоящее время стандарт аудиозаписи 16 бит/44,1 кГц (не говоря уже о входящем в права стандарте 24 бит/96 кГц) требует формирования на выходе преобразователя ИКМ-ШИМ импульсов, ширина которых должна принимать одно из 65535 значений при частоте следования 300-500 (кГц). Сведений о такой разрешающей способности в вышеприведенных библиографических источниках не найдено. Несложно подсчитать, что если в классическом случае при отсутствии входного сигнала на выходе преобразователя ИКМ-ШИМ присутствует меандр, то при частоте в 400 кГц ширина импульса максимально может изменяться в пределах от 1,25 мкс до 2,5 мкс. Следовательно, в диапазоне 1,25 мкс необходимо разместить 65535 значений, для чего потребуется формировать импульсы, длительности которых отличаются всего на 19 пс. Создать такой цифровой преобразователь на существующей элементной базе сложно даже для лабораторных исследований.The disadvantage of both the prototype method and the devices that implement it is the low accuracy of the transmission of the waveform. Distortions in the output signal arise due to the complexity of converting a multi-bit digital code into pulses of the corresponding width (duration), i.e. Cannot convert the digital code into a PWM sequence with the required resolution. If the input N-bit code provides a potential resolution of (2 N -1) -1 , then the PCM-PWM converter should have at least the same resolution. For small N (up to about 10) it is still possible to obtain the required resolution of the converter, but for large N it is extremely difficult to do. The currently widely used 16-bit / 44.1 kHz audio recording standard (not to mention the 24-bit / 96 kHz standard included in the law) requires the generation of pulses from the PCM-PWM converter output, the width of which should take one of 65535 values at a repetition rate 300-500 (kHz). Information on such a resolution was not found in the above bibliographic sources. It is easy to calculate that if in the classical case, in the absence of an input signal, a meander is present at the output of the PCM-PWM converter, then at a frequency of 400 kHz, the pulse width can vary as much as possible from 1.25 μs to 2.5 μs. Therefore, in the range of 1.25 μs, it is necessary to place 65535 values, for which it will be necessary to form pulses whose durations differ by only 19 ps. To create such a digital converter on the existing element base is difficult even for laboratory research.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в снижении искажений выходного сигнала за счет сохранения требуемой разрешающей способности, определяемой разрядностью исходного цифрового кода.The technical result achieved using the present invention is to reduce the distortion of the output signal by maintaining the required resolution, determined by the resolution of the source digital code.

Технический результат достигается тем, что в способе усиления сигналов, представленных в цифровой форме, согласно изобретению N-разрядный цифровой код, соответствующий отсчету аналогового сигнала, делят на К групп разрядов, формируя таким образом К парциальных цифровых сигналов пониженной разрядности, каждый из полученных К цифровых сигналов усиливают и преобразуют после усиления в аналоговую форму, после чего К аналоговых сигналов объединяют в единый выходной сигнал с учетом весов разрядов исходного N-разрядного кода.The technical result is achieved by the fact that in the method of amplifying the signals represented in digital form, according to the invention, the N-bit digital code corresponding to the count of the analog signal is divided into K groups of bits, thereby forming K partial digital signals of reduced capacity, each of the received K digital signals are amplified and converted after amplification into analog form, after which K analog signals are combined into a single output signal, taking into account the weights of the bits of the original N-bit code.

Парциальные цифровые сигналы можно усиливать путем преобразования в последовательность широтно-модулированных импульсов и усиления непосредственно полученных импульсов.Partial digital signals can be amplified by converting into a sequence of pulse-width modulated pulses and amplifying directly received pulses.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, согласно изобретению дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый K-входовый сумматор, выход которого является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом цифрового усилителя (N>К) служит совокупность входов всех К каналов, коэффициенты усиления усилителей импульсов в которых выбирают из множества {20, 21, 22,..., 2N-1}.The technical result according to the first embodiment is achieved by the fact that in a digital amplifier including a channel containing a digital code converter into a sequence of pulses modulated by a time parameter, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to according to the invention, (K-1) channels and an analog K-input adder, the output of which is the output of a digital amplifier, the N-bit input of the digital amplifier (N> K) is the set of inputs of all K channels, the amplification factors of the pulse amplifiers in which are selected from the set {2 0 , 2 1 , 2 2 , ..., 2 N-1 }.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, согласно изобретению дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый К-входовый взвешивающий сумматор, веса входов которого выбирают из множества {20, 21, 22,..., 2N-1}, выход сумматора является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом которого (N>К) служит совокупность входов всех К каналов.The technical result according to the second embodiment is achieved by the fact that in a digital amplifier including a channel containing a digital code converter into a sequence of pulses modulated by a time parameter, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to according to the invention, (K-1) channels and an analog K-input weighting adder are additionally introduced, the input weights of which are selected according to the invention m 2 from the set {0, 2 1, 2 2, ..., 2 N-1}, and the adder output is the output of the digital amplifier, N-bit input which (N> K) is the set of all K input channels.

Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, согласно изобретению дополнительно введен второй канал, напряжение на выходе которого имеет полярность, противоположную полярности напряжения на выходе первого канала, выходом цифрового усилителя служат выходы каналов, напряжение между выходам которых служит для подачи на нагрузку цифрового усилителя, входом которого является N-разрядный вход, представляющий собой совокупность

Figure 00000002
-разрядного входа первого канала и
Figure 00000002
-разрядного входа второго канала, отношение коэффициентов усиления усилителей импульсов второго и первого каналов составляет
Figure 00000003
, при этом группа
Figure 00000002
разрядов, относящихся ко входу первого канала, является группой младших разрядов N-разрядного входа цифрового усилителя, а группа
Figure 00000002
разрядов, относящихся ко входу второго канала, является группой старших разрядов входа цифрового усилителя.The technical result according to the third embodiment is achieved by the fact that in a digital amplifier including a channel containing a digital code converter into a sequence of pulses modulated by a time parameter, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to according to the invention, a second channel is additionally introduced, the voltage at the output of which has a polarity opposite to polarity These are the voltages at the output of the first channel, the outputs of the digital amplifier are the outputs of the channels, the voltage between the outputs of which serves to supply a digital amplifier to the load, the input of which is an N-bit input, which is a combination of
Figure 00000002
-digit input of the first channel and
Figure 00000002
-digit input of the second channel, the ratio of the amplification factors of the amplifiers of the pulses of the second and first channels is
Figure 00000003
, while the group
Figure 00000002
bits related to the input of the first channel is the group of the least significant bits of the N-bit input of a digital amplifier, and the group
Figure 00000002
bits related to the input of the second channel, is a group of high-order bits of the input of a digital amplifier.

При этом, входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов может быть выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.At the same time, the digital code converter into the pulse train, which is part of each channel, can be made in the form of a device that converts the input digital signal into a sequence of pulse-width modulated pulses.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показана временная диаграмма, иллюстрирующая способ усиления цифровых сигналов, на фиг.2 - функциональная схема (пример реализации) цифрового усилителя по п.3 формулы изобретения, на фиг.3 - функциональная схема (пример реализации) цифрового усилителя по п.7 формулы изобретения, на фиг.4 - функциональная схема одного из вариантов построения преобразователя цифрового кода в последовательность импульсов.The invention is illustrated graphic material. Figure 1 shows a timing diagram illustrating a method of amplifying digital signals, figure 2 is a functional diagram (example implementation) of a digital amplifier according to claim 3, figure 3 is a functional diagram (example implementation) of a digital amplifier according to claim 7 of the claims, FIG. 4 is a functional diagram of one of the options for constructing a converter of a digital code into a pulse sequence.

Временная диаграмма (фиг.1) содержит:The timing diagram (figure 1) contains:

- сигнал u1(t), представляющий собой результат демодуляции ШИМ-последовательности (преобразования в аналоговую форму) группы младших разрядов;- signal u 1 (t), which is the result of demodulation of the PWM sequence (conversion to analog form) of the group of lower digits;

- сигнал u2(t), представляющий собой результат демодуляции ШИМ-последовательности группы старших разрядов;- the signal u 2 (t), which is the result of demodulation of the PWM sequence of the group of senior bits;

- результирующий сигнал uS(t), представляющий собой сумму напряжений u1(t) и u2(t).- the resulting signal u S (t), which is the sum of the voltages u 1 (t) and u 2 (t).

Функциональная схема цифрового усилителя по фиг.2 содержит два 4-разрядных преобразователя ИКМ-ШИМ 1, 2, два усилителя 3, 4 импульсов, два ФНЧ 5, 6 и сумматор 7. Выход сумматора 7 является выходом цифрового усилителя, 8-разрядным входом которого служат входы преобразователей 1 и 2, выходы которых подключены ко входам усилителей 3 и 4 импульсов соответственно, выходы которых в свою очередь подключены ко входам ФНЧ 5 и 6 соответственно, выходы которых подключены ко входам сумматора 7.The functional diagram of the digital amplifier of figure 2 contains two 4-bit PCM-PWM converters 1, 2, two amplifiers 3, 4 pulses, two low-pass filters 5, 6 and the adder 7. The output of the adder 7 is the output of a digital amplifier, the 8-bit input of which serve the inputs of the converters 1 and 2, the outputs of which are connected to the inputs of the amplifiers 3 and 4 pulses, respectively, the outputs of which are in turn connected to the inputs of the low-pass filter 5 and 6, respectively, the outputs of which are connected to the inputs of the adder 7.

Функциональная схема цифрового усилителя по фиг.3 содержит два 4-разрядных преобразователя ИКМ-ШИМ 8, 9, два усилителя 10, 11 импульсов с разнополярными выходами, два ФНЧ 12, 13 и нагрузку усилителя сопротивлением RL. Нагрузка цифрового усилителя подключена между входами ФНЧ 12 и 13, 8-разрядным входом цифрового усилителя служат входы преобразователей 8 и 9, выходы которых подключены ко входам усилителей 10 и 11 импульсов соответственно, выходы которых в свою очередь подключены ко входам ФНЧ 12 и 13 соответственно.The functional diagram of the digital amplifier of FIG. 3 contains two 4-bit PCM-PWM converters 8, 9, two pulse amplifiers 10, 11 with bi-polar outputs, two low-pass filters 12, 13 and an amplifier load with resistance R L. The load of the digital amplifier is connected between the inputs of the low-pass filter 12 and 13, the 8-bit input of the digital amplifier is the inputs of the converters 8 and 9, the outputs of which are connected to the inputs of the amplifiers 10 and 11 pulses, respectively, the outputs of which are in turn connected to the inputs of the low-pass filter 12 and 13, respectively.

Функциональная схема (фиг.4) преобразователя ИКМ-ШИМ содержит элемент И 14, счетчик 15, цифровой компаратор 16, триггер 17, дискриминатор 18 передних фронтов и элемент ИЛИ 19. Информационным входом РСМ преобразователя является первый многоразрядный вход компаратора 16, второй многоразрядный вход которого соединен с выходом счетчика 15, суммирующий вход которого соединен с выходом элемента И 14, первый вход которого служит первым тактовым входом CLK1 преобразователя, вторым тактовым входом CLK2 которого служат объединенные обнуляющий вход счетчика 15 и вход дискриминатора 18, выход которого соединен с установочным входом триггера 17, обнуляющий вход которого соединен с выходом компаратора 16, к выходу триггера 17 подключены второй вход элемента И 14 и первый вход элемента ИЛИ 19, выход которого является выходом PWM преобразователя, второй вход элемента ИЛИ 19 подключен ко входу CLK2 преобразователя.Functional diagram (figure 4) of the PCM-PWM converter contains an AND 14 element, a counter 15, a digital comparator 16, a trigger 17, a leading edge discriminator 18, and an OR element 19. The PCM information input is the first multi-bit input of the comparator 16, the second multi-bit input of which connected to the output of the counter 15, the summing input of which is connected to the output of the element And 14, the first input of which serves as the first clock input CLK1 of the Converter, the second clock input CLK2 of which are the combined resetting input of the counter 15 and the input of the discriminator 18, the output of which is connected to the installation input of the trigger 17, the resetting input of which is connected to the output of the comparator 16, the second input of the AND element 14 and the first input of the OR element 19, the output of which is the output of the PWM converter, the second input of the OR element is connected to the output of the trigger 17 19 is connected to input CLK2 of the converter.

Идея, лежащая в основе изобретения, заключается в следующем.The idea underlying the invention is as follows.

Известно, что число U - отсчет аналогового сигнала - в позиционном счислении с основанием 2 выражается в виде рядаIt is known that the number U - the countdown of the analog signal - in positional notation with base 2 is expressed as a series

U=aN-12N-1+aN-22N-2+...+a222+a121+a020,U = a N-1 2 N-1 + a N-2 2 N-2 + ... + a 2 2 2 + a 1 2 1 + a 0 2 0 ,

где N - число разрядов (позиций) выбранной системы счисления, в данном случае равно числу разрядов двоичного кода U(n)=(aN-1, aN-2,..., a1, a0);where N is the number of bits (positions) of the selected number system, in this case it is equal to the number of bits of the binary code U (n) = (a N-1 , a N-2 , ..., a 1 , a 0 );

an - значение n-го разряда (n=0, 1, 2,... N-1);a n is the value of the n-th digit (n = 0, 1, 2, ... N-1);

2n - вес n-го разряда.2 n is the weight of the n-th digit.

Представленное выражение любой разрядности (если N - конечное число) можно преобразовать, используя свойство дистрибутивности и получить в результате взвешенную сумму нескольких групп. В качестве иллюстрации приведем отсчет U, описываемый восьмиразрядным двоичным кодом.The presented expression of any capacity (if N is a finite number) can be transformed using the distributive property and obtain a weighted sum of several groups as a result. As an illustration, we give the count U, described by an eight-bit binary code.

U=24(a723+a622+a521+a420)+a323+a222+a121+a020 U = 2 4 (a 7 2 3 + a 6 2 2 + a 5 2 1 + a 4 2 0 ) + a 3 2 3 + a 2 2 2 + a 1 2 1 + a 0 2 0

В данном примере имеем две четырехразрядные группы: первая заключена в скобки и является группой старших разрядов с общим весовым коэффициентом 24, а вторая группа - это группа младших разрядов, представленная четырьмя первыми членами справа. Из приведенной записи видно, что группа разрядов, обозначенная скобками, имеет те же веса разрядов, что и группа младших четырех разрядов. Следовательно, можно считать, что восьмиразрядное двоичное число uS(n)=(a7, a6,..., a1, a0) у нас представлено в виде суммы двух четырехразрядных чисел u1(n)=(a3, a2, a1, a0) и u2(n)=(a7, a6, a5, a4), последнее из которых участвует в сложении с весовым коэффициентом. Для наглядности на фиг.1 показаны два аналоговых сигнала u1(t) и u2(t), каждое значение которых было получено путем преобразования из четырехразрядных двоичных кодов u1(n) и u2(n) соответственно. Коды пониженной разрядности u1(n) и u2(n) были получены вышеуказанным образом из восьмиразрядного кода uS(n), описывающего синусоидальный сигнал uS(t). Взвешенная сумма двух аналоговых сигналов u1(t) и u2(t) и дает исходный сигнал uS(t) (разумеется с погрешностями дискретизации и квантования)In this example, we have two four-bit groups: the first is enclosed in brackets and is a group of high-order bits with a total weight factor of 2 4 , and the second group is a group of low-order bits, represented by the first four members on the right. It can be seen from the above record that the group of digits, indicated by brackets, has the same bit weights as the group of the lower four digits. Therefore, we can assume that the eight-digit binary number u S (n) = (a 7 , a 6 , ..., a 1 , a 0 ) is presented in the form of the sum of two four-digit numbers u 1 (n) = (a 3 , a 2 , a 1 , a 0 ) and u 2 (n) = (a 7 , a 6 , a 5 , a 4 ), the last of which is involved in addition with a weight coefficient. For clarity, figure 1 shows two analog signals u 1 (t) and u 2 (t), each value of which was obtained by converting from four-digit binary codes u 1 (n) and u 2 (n), respectively. The reduced bit codes u 1 (n) and u 2 (n) were obtained in the above way from the eight-bit code u S (n) describing the sinusoidal signal u S (t). The weighted sum of the two analog signals u 1 (t) and u 2 (t) gives the original signal u S (t) (of course, with sampling and quantization errors)

uS(t)=24u2(t)+u1(t).u S (t) = 2 4 u 2 (t) + u 1 (t).

Таким образом, для усиления сигнала, представленного в восьмиразрядном двоичном коде uS(n), его следует разбить на два сигнала пониженной разрядности и усилить каждый из них. Для цифрового усиления полученных парциальных сигналов можно использовать известных прием: преобразование сигналов с ИКМ в ШИМ-последовательность, усиление непосредственно импульсов ШИМ-последовательности и демодуляция. Полученные после демодуляции аналоговые сигналы u1(t) и u2(t) складывают с учетом весовых коэффициентов.Thus, to amplify the signal represented in the eight-bit binary code u S (n), it should be divided into two low-resolution signals and amplify each of them. For digital amplification of the obtained partial signals, one can use the well-known technique: converting signals from the PCM to the PWM sequence, amplifying the pulses of the PWM sequence directly, and demodulating. Obtained after demodulation, the analog signals u 1 (t) and u 2 (t) are added taking into account the weight coefficients.

Восьмиразрядный цифровой усилитель с преобразованием в ШИМ-последовательность показан на фиг.2. Усилитель является двухканальным, т.к. исходный восьмиразрядный код разделен на две четырехразрядные группы (К=2). Четырехразрядный вход преобразователя 1 служит для приема кода группы младших разрядов, а аналогичный вход преобразователя 2 служит для приема кода группы старших разрядов. Усиление парциальных ШИМ-последовательностей происходит в усилителях, работающих в режиме класса D. Взвешивающее суммирование осуществляется за счет выбора коэффициентов усиления KU1 и KU2 усилителей 3 и 4 соответственно таким образом, чтобы выполнялось условие (KU2/KU1)=24.An eight-bit digital amplifier with conversion to a PWM sequence is shown in FIG. The amplifier is a two-channel, because The original eight-bit code is divided into two four-bit groups (K = 2). The four-digit input of converter 1 serves to receive the low-order group code, and a similar input of converter 2 serves to receive the high-order group code. Partial PWM sequences are amplified in amplifiers operating in class D. The weighting summation is carried out by choosing the amplification factors K U1 and K U2 of amplifiers 3 and 4, respectively, so that the condition (K U2 / K U1 ) = 2 4 is fulfilled.

В схеме двухканального усиления можно обойтись и без сумматора 7 как отдельного функционального узла. Такое решение показано на фиг.3. Отличие от предыдущей схемы состоит главным образом в том, что усилители 10 и 11 выдают разнополярные по отношению друг к другу импульсы. Следовательно, при подключении нагрузки RL между выходами усилителей (через фильтры 12, 13) к нагрузке будет прикладываться разность потенциалов, определяемая суммой модулей u1(t) и u2(t).In the two-channel amplification scheme, you can do without the adder 7 as a separate functional unit. Such a solution is shown in FIG. The difference from the previous circuit consists mainly in the fact that the amplifiers 10 and 11 emit pulses of opposite polarity with respect to each other. Therefore, when connecting the load R L between the outputs of the amplifiers (through filters 12, 13), the potential difference determined by the sum of the modules u 1 (t) and u 2 (t) will be applied to the load.

В общем случае при делении N-разрядного двоичного кода на две равные группы группе старших разрядов присваивают общий весовой коэффициент, равный

Figure 00000003
, представляя исходный отсчет U в виде:In the general case, when dividing an N-bit binary code into two equal groups, a group of higher digits is assigned a common weight coefficient equal to
Figure 00000003
presenting the original reference U in the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

и формируют для дальнейших преобразований и усиления два

Figure 00000002
-разрядных кодаand form for further transformations and amplification two
Figure 00000002
-bit code

Figure 00000005
Figure 00000005

иand

Figure 00000006
Figure 00000006

Количество К групп разрядов так же, как и их разрядность, могут быть произвольными. Должно лишь выполняться неравенство К<N и сумма всех разрядов в группах должна быть равна N. При К=N речь можно вести о поразрядной обработке. Что же касается весовых коэффициентов, присваиваемых конкретным группам разрядов, то они во всех случаях входят во множество {20, 21, 22,..., 2N-1} и выбираются таким образом, чтобы сумма ряда равнялась U.The number K of discharge groups, as well as their bit depth, can be arbitrary. Only the inequality K <N must be satisfied and the sum of all digits in the groups should be equal to N. At K = N, we can talk about bitwise processing. As for the weighting coefficients assigned to specific groups of discharges, they are in all cases included in the set {2 0 , 2 1 , 2 2 , ..., 2 N-1 } and are selected so that the sum of the series is equal to U.

Одним из вариантов преобразователя ИКМ-ШИМ может быть схема, приведенная на фиг.4. Преобразователь работает в синхронном режиме, характеризующемся тем, что положительные фронты импульсов ШИМ-последовательности появляются в строго фиксированные моменты времени и в отсутствие входного модулирующего сигнала на выходе PWM присутствует немодулированная импульсная последовательность с минимальной длительностью импульсов, задаваемой параметрами синхросигнала на входе CLK2. Период повторения синхроимпульсов CLK2 равен периоду следования широтно-модулированных импульсов на выходе PWM преобразователя. Последовательность импульсов, подаваемая на вход CLK1, является счетной и служит для отсчета интервала времени, определяющего требуемое изменение ширины модулируемых импульсов. Принцип действия преобразователя основан на сравнении входного модулирующего кода РСМ с кодом, формируемым в самом преобразователе, и определении момента их равенства. Время, затрагиваемое счетчиком 15 на достижение их равенства, и равно приращению ширины (длительности) модулируемых импульсов. Процесс преобразования начинается с поступлением синхроимпульсов CLK2. По положительному фронту синхроимпульса CLK2 триггер 17 переходит в состояние высокого логического уровня, разрешая прохождение счетных импульсов CLK1 через элемент И 14 на счетный вход счетчика 15, однако счетчик 15 начинает счет только после окончания действия синхроимпульса CLK2, так как в течение этого времени на обнуляющем входе R счетчика присутствует активный уровень, Таким образом, текущий код, направляемый в компаратор 16 для сравнения с информационным кодом РСМ, начинает формироваться только после того, как на выходе PWM преобразователя уже сформировалась часть информационного импульса, равная его минимальной длительности. В момент равенства сравниваемых кодов логическая "1" с выхода компаратора 16 обнуляет триггер 17, формируется отрицательный фронт выходного импульса PWM и устройство проходит в режим ожидания следующего синхроимпульса. Добавим также, что выходной модулированный сигнал можно снимать и непосредственно с выхода триггера 17, при этом в отсутствие входного сигнала на выходе преобразователя исходной импульсной последовательности не будет, что свойственно асинхронным преобразователям.One of the options for the converter PCM-PWM may be the circuit shown in figure 4. The converter operates in synchronous mode, characterized by the fact that the positive edges of the pulses of the PWM sequence appear at strictly fixed times and, in the absence of an input modulating signal, an unmodulated pulse sequence is present at the PWM output with the minimum pulse duration specified by the clock parameters at the input of CLK2. The repetition period of the CLK2 clock pulses is equal to the repetition period of the pulse-width modulated pulses at the output of the PWM converter. The pulse sequence supplied to the input CLK1 is countable and serves to count the time interval that determines the desired change in the width of the modulated pulses. The operating principle of the converter is based on comparing the PCM input modulating code with the code generated in the converter itself and determining the moment of their equality. The time affected by the counter 15 to achieve their equality, and is equal to the increment of the width (duration) of the modulated pulses. The conversion process begins with the arrival of CLK2 clock pulses. On the positive edge of the clock CLK2, the trigger 17 switches to a high logic level, allowing the passage of counting pulses CLK1 through the element And 14 to the counting input of the counter 15, however, the counter 15 starts counting only after the end of the clock CLK2, since during this time the reset input R of the counter there is an active level. Thus, the current code sent to the comparator 16 for comparison with the PCM information code begins to be formed only after the PWM converter e formed part of the information pulse, equal to its minimum duration. At the moment of equality of the compared codes, the logical “1” from the output of the comparator 16 resets the trigger 17, a negative edge of the output pulse PWM is formed, and the device goes into standby mode for the next clock pulse. We also add that the output modulated signal can also be taken directly from the output of the trigger 17, while in the absence of an input signal at the output of the converter, the initial pulse sequence will not, which is characteristic of asynchronous converters.

При инженерной реализации предложенных технических решений основное их достоинство будет выражено в сокращении требуемого диапазона изменения длительностей импульсов ШИМ-последовательности при сохранении прежним динамического диапазона выходных (входных) сигналов. Это позволит усиливать многоразрядные цифровые сигналы с разрешением, превосходящим разрешение используемых преобразователей ИКМ-ШИМ. (Под разрешающей способностью преобразователей ИКМ-ШИМ подразумевается наименьшее значение ступени квантования или наименьшее значение приращения выходной аналоговой величины после демодуляции, но без усиления. Разрешением цифрового усилителя следует считать минимально возможное приращение выходного аналогового сигнала.) В том, что разрешение цифрового усилителя, описанного в настоящей работе, окажется лучше, чем разрешение преобразователей ИКМ-ШИМ, легко убедиться, если взять для примера простейший случай двухканального усиления N-разрядного кода, разделенного на две

Figure 00000002
-разрядные группы. Каждый из преобразователей в этом случае имеет разрешение
Figure 00000007
, в то время как выходной аналоговый сигнал усилителя строится из 2N-1 значений. Следовательно, усилитель в целом имеет разрешение (2N-1)-1. Из чего видно, что усилитель обладает разрешающей способностью, лучшей каждого из преобразователя ИКМ-ШИМ примерно в
Figure 00000003
раз.In the engineering implementation of the proposed technical solutions, their main advantage will be expressed in the reduction of the required range of pulse widths of the PWM sequence while maintaining the same dynamic range of the output (input) signals. This will allow amplifying multi-bit digital signals with a resolution exceeding the resolution of the PCM-PWM converters used. (The resolution of the PCM-PWM converters means the smallest value of the quantization step or the smallest increment of the output analog quantity after demodulation, but without amplification. The resolution of a digital amplifier should be considered the minimum possible increment of the output analog signal.) The resolution of the digital amplifier described in the present work, it turns out to be better than the resolution of PCM-PWM converters, it is easy to see if we take for example the simplest case of two-channel amplification N-bit code divided into two
Figure 00000002
-digit groups. Each of the converters in this case has permission
Figure 00000007
, while the analog output of the amplifier is built from 2 N -1 values. Therefore, the amplifier as a whole has a resolution of (2 N -1) -1 . From which it can be seen that the amplifier has a resolution better than each of the PCM-PWM converters, approximately
Figure 00000003
time.

Снижение требований к разрешающей способности преобразователей ИКМ-ШИМ упрощает их конструкцию, приводит к снижению тактовых частот, на которых работает последовательная логика преобразователей, в ряде случаев позволяет отказаться от сверхбыстродействующей элементной базы и повысить надежность преобразователей. Кроме того, сокращение динамического диапазона длительностей (ширины) импульсов ШИМ-последовательностей позволяет увеличить минимальную длительность импульсов, сократить эффективную ширину спектра ШИМ-последовательности и тем самым понизить требуемую верхнюю граничную частоту усилительных трактов.Decreasing the resolution requirements for PCM-PWM converters simplifies their design, reduces the clock frequencies at which the serial logic of the converters operates, and in some cases eliminates ultra-fast element base and improves the reliability of converters. In addition, reducing the dynamic range of pulse widths (widths) of PWM sequences allows one to increase the minimum pulse width, reduce the effective spectrum width of the PWM sequence, and thereby reduce the required upper cutoff frequency of the amplification paths.

Claims (8)

1. Способ усиления сигналов, представленных в цифровой форме, отличающийся тем, что N-разрядный цифровой код, соответствующий отсчету аналогового сигнала, делят на К групп разрядов, формируя таким образом К парциальных цифровых сигналов пониженной разрядности, каждый из полученных К цифровых сигналов усиливают и преобразуют после усиления в аналоговую форму, после чего К аналоговых сигналов объединяют в единый выходной сигнал с учетом весов разрядов исходного N-разрядного кода.1. The method of amplification of signals presented in digital form, characterized in that the N-bit digital code corresponding to the count of the analog signal is divided into K groups of bits, thereby forming K partial digital signals of reduced capacity, each of the received K digital signals is amplified and after amplification, they are converted into analog form, after which K analog signals are combined into a single output signal, taking into account the weights of the bits of the original N-bit code. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что парциальные цифровые сигналы усиливают путем преобразования в последовательность широтно-модулированных импульсов и усиления непосредственно полученных импульсов.2. The method according to claim 1, characterized in that the partial digital signals are amplified by converting into a sequence of pulse-width modulated pulses and amplifying the directly received pulses. 3. Цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, выходом которого является выход фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый К-входовый сумматор, выход которого является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом цифрового усилителя (N>K) служит совокупность входов всех К каналов, коэффициенты усиления усилителей импульсов в которых выбирают из множества {20, 21, 22,..., 2N-1}, сумматор служит для сложения выходных сигналов К каналов.3. A digital amplifier including a channel containing a digital code converter into a pulse train modulated by a time parameter, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to the output of the converter, the input of which serves as the channel input the output of which is the output of a low-pass filter, characterized in that (K-1) channels and an analog K-input adder are additionally introduced into it, the output of which is the digital output preamplifier, N-bit input of the digital amplifier (N> K) is the set of all K input channels, the gain factors of amplifiers in which pulses are selected from the set {2 0, 2 1, 2 2, ..., 2 N-1}, the adder serves to add the output signals of K channels. 4. Цифровой усилитель по п.3, отличающийся тем, что входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.4. The digital amplifier according to claim 3, characterized in that the digital code to pulse train included in each channel is made in the form of a device that converts the input digital signal into a sequence of pulse-width modulated pulses. 5. Цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, выходом которого является выход фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него дополнительно введены (К-1) каналов и аналоговый К-входовый взвешивающий сумматор, веса входов которого выбирают из множества {20, 21, 22,... 2N-1}, выход сумматора является выходом цифрового усилителя, N-разрядным входом которого (N>K) служит совокупность входов всех К каналов, сумматор служит для сложения выходных сигналов К каналов.5. A digital amplifier including a channel containing a digital code converter into a sequence of pulses modulated by a time parameter, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to the output of the converter, the input of which serves as the channel input the output of which is the output of a low-pass filter, characterized in that (K-1) channels and an analog K-input weighing adder are additionally introduced into it, the weights of the inputs of which are selected from the set {2 0 , 2 1 , 2 2 , ... 2 N-1 }, the output of the adder is the output of a digital amplifier, the N-bit input of which (N> K) is the set of inputs of all K channels, the adder serves to add the output K channel signals. 6. Цифровой усилитель по п.5, отличающийся тем, что входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.6. The digital amplifier according to claim 5, characterized in that the digital code to pulse train included in each channel is made in the form of a device that converts the input digital signal into a sequence of pulse-width modulated pulses. 7. Цифровой усилитель, включающий в себя канал, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по временному параметру, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом канала, выходом которого является выход фильтра нижних частот, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй канал, напряжение на выходе которого имеет полярность, противоположную полярности напряжения на выходе первого канала, выходом цифрового усилителя служат выходы каналов, напряжение между выходам которых служит для подачи на нагрузку цифрового усилителя, входом которого является N-разрядный вход, представляющий собой совокупность
Figure 00000008
-разрядного входа первого канала и
Figure 00000008
-разрядного входа второго канала, отношение коэффициентов усиления усилителей импульсов второго и первого каналов составляет
Figure 00000009
, при этом группа
Figure 00000008
-разрядов, относящихся ко входу первого канала, является группой младших разрядов N-разрядного входа цифрового усилителя, а группа
Figure 00000008
-разрядов, относящихся ко входу второго канала, является группой старших разрядов входа цифрового усилителя.
7. A digital amplifier including a channel containing a digital code converter into a sequence of pulses modulated by a time parameter, a pulse amplifier and a low-pass filter, the input of which is connected to the output of the pulse amplifier, the input of which is connected to the output of the converter, the input of which serves as the channel input the output of which is the low-pass filter output, characterized in that a second channel is additionally introduced into it, the output voltage of which has a polarity opposite to that of the voltage at the output of the first channel, the output of the digital amplifier are the outputs of the channels, the voltage between the outputs of which serves to supply a digital amplifier to the load, the input of which is an N-bit input, which is a combination
Figure 00000008
-digit input of the first channel and
Figure 00000008
-digit input of the second channel, the ratio of the amplification factors of the amplifiers of the pulses of the second and first channels is
Figure 00000009
, while the group
Figure 00000008
-digits related to the input of the first channel is the group of the least significant bits of the N-bit input of a digital amplifier, and the group
Figure 00000008
-digits related to the input of the second channel is a group of high-order bits of the input of a digital amplifier.
8. Цифровой усилитель по п.7, отличающийся тем, что входящий в состав каждого канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего входной цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.8. The digital amplifier according to claim 7, characterized in that the digital code to pulse train included in each channel is made in the form of a device that converts the input digital signal into a sequence of pulse-width modulated pulses.
RU2004129565/09A 2004-10-11 2004-10-11 Method for amplifying digital signals and digital amplifier RU2273948C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004129565/09A RU2273948C2 (en) 2004-10-11 2004-10-11 Method for amplifying digital signals and digital amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004129565/09A RU2273948C2 (en) 2004-10-11 2004-10-11 Method for amplifying digital signals and digital amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004129565A RU2004129565A (en) 2005-09-10
RU2273948C2 true RU2273948C2 (en) 2006-04-10

Family

ID=35847694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004129565/09A RU2273948C2 (en) 2004-10-11 2004-10-11 Method for amplifying digital signals and digital amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2273948C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КИБАКИН В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности, Москва, Радио и связь 1988, с.15. КИБАКИН В.М. Основы ключевых методов усиления, Москва, Энергия, 1980, с.77. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004129565A (en) 2005-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7180365B2 (en) Class D amplifier and a method of pulse width modulation
US4509037A (en) Enhanced delta modulation encoder
US20060282185A1 (en) Device and method for signal processing
RU2160497C2 (en) Method and device for digital-to-analog conversion
EP1227579A2 (en) Method and apparatus for providing digital error correction for a class D power stage
US7317410B2 (en) System and method for spectral shaping of dither signals
US6724249B1 (en) Multi-level class-D amplifier by means of 3 physical levels
JP2003101357A (en) D-class amplifier
US7724082B2 (en) Method and apparatus for pulse width modulation in a switching amplifier
US6646502B1 (en) Digital-input class-D amplifier
TW201921839A (en) Digital-to-analog converter and amplifier for headphones
RU2273948C2 (en) Method for amplifying digital signals and digital amplifier
JP2004328428A (en) Pwm signal generator, pwm signal generation method, digital/analog converter and digital amplifier
RU2281607C2 (en) Method and hybrid amplifier for amplifying digital signals
US10861433B1 (en) Quantizer
JP3326619B2 (en) PWM circuit
US10790790B2 (en) Amplifiers with delta-sigma modulators using pulse-density modulations and related processes
Hiorns et al. A PWM DAC for digital audio power conversion: from theory to performance
JPH06208766A (en) Dc-value computation circuit in digital recording and playback system
CN102823128B (en) Digital amplifier
US20050040981A1 (en) Modulation circuit including a feedback loop with an embedded mapper
KR101741277B1 (en) Circuit for an amplifier
RU2320077C1 (en) Method for controlling power channel of a class d power amplifier
JPH11266157A (en) Feedback circuit
US20050015419A1 (en) Techniques to provide programmable finite impulse response filtering