RU2526280C1 - Abd hydroacoustic amplifier - Google Patents

Abd hydroacoustic amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2526280C1
RU2526280C1 RU2013135432/08A RU2013135432A RU2526280C1 RU 2526280 C1 RU2526280 C1 RU 2526280C1 RU 2013135432/08 A RU2013135432/08 A RU 2013135432/08A RU 2013135432 A RU2013135432 A RU 2013135432A RU 2526280 C1 RU2526280 C1 RU 2526280C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
transformers
outputs
terminals
key
Prior art date
Application number
RU2013135432/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Александров
Юрий Витальевич Казаков
Original Assignee
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз"
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 ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" filed Critical ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз"
Priority to RU2013135432/08A priority Critical patent/RU2526280C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2526280C1 publication Critical patent/RU2526280C1/en

Links

Images

Classifications

    • Y02B60/50

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: ABD amplifier comprises a pulse width converter, four key power amplifiers, four transformers, four choke coils, four capacitive dividers, two blocking capacitors and a filter capacitor.
EFFECT: high energy efficiency and reliability of operation, while improving quality of the output signal.
4 dwg

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 ключевые усилители мощности [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.Known key power amplifiers [1, 2], using pulse-width modulation (PWM) and providing high-performance 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.

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 PWM amplifiers in class AD mode is based on the conversion of 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 уменьшение частоты переключений ограничено проникновением комбинационных составляющих [1] спектра модулированного импульсного напряжения в полосу частот пропускания ФНЧ. Указанное обстоятельство усугубляется при использовании усилителей с ШИМ в гидроакустике для возбуждения пьезоэлектрических излучателей, имеющих выраженную емкостную составляющую проводимости в области верхних частот, что обуславливает резкий подъем амплитудно-частотной характеристики ФНЧ на частотах 0,7…0,9 от частоты среза фильтра. В результате частота переключений КУМ класса AD должна превышать верхнюю частоту усиливаемого сигнала не менее чем в 15…20 раз. Необходимость такого повышения частоты переключений приводит к ухудшению энергетических характеристик. В частности для верхней частоты усиливаемого сигнала 15 кГц частота переключений в усилителе класса AD должна составлять порядка 300 кГц, что соответствует КПД усилителя не более 85%.However, the decrease in the switching frequency is limited by the penetration of the Raman components [1] of the spectrum of the modulated pulse voltage into the passband of the low-pass filter. This circumstance is aggravated when using amplifiers with PWM in sonar to excite piezoelectric emitters having a pronounced capacitive component of conductivity in the high frequency region, which leads to a sharp increase in the amplitude-frequency characteristic of the low-pass filter at frequencies of 0.7 ... 0.9 from the cutoff frequency of the filter. As a result, the switching frequency of the ADC class KUM must exceed the upper frequency of the amplified signal by at least 15 ... 20 times. The need for such an increase in the switching frequency leads to a deterioration in energy performance. In particular, for the upper frequency of the amplified signal of 15 kHz, the switching frequency in the AD class amplifier should be about 300 kHz, which corresponds to an amplifier efficiency of not more than 85%.

Известны способы повышения КПД ключевых УНЧ, основанные на использовании режима BD [1, 2, 3]. Такой режим возможен в ключевых усилителях мощности (КУМ), выполненных по мостовым схемам [4] 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. Вместе с тем, в мостовой схеме КУМ в режиме BD имеют место характерные искажения при малых уровнях сигнала. Искажения такого вида объясняются наличием задержек включения ключевых элементов, необходимым для исключения сквозных токов.Known methods for increasing the efficiency of key ULF, based on the use of BD mode [1, 2, 3]. This mode is possible in key power amplifiers (KUM) made according to bridge circuits [4] 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. At the same time, in the BFM bridge circuit in the BD mode, characteristic distortions occur at low signal levels. Distortions of this kind are explained by the presence of delays in the inclusion of key elements necessary to eliminate through-currents.

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 ФНЧ и искажению амплитудной характеристики. Вид искажений в этой зоне имеет форму ступеньки, относительная величина которой достигает значения 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 повышение КПД (до 90%) усилителя класса BD по сравнению с усилителем класса 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 LPF 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 a value of 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 distortions in the amplitude characteristic causes harmonic distortions 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 increase in the efficiency (up to 90%) of the BD class amplifier compared to the AD class amplifier is associated with an increase in harmonic distortion and the limitation of the dynamic gain range.

Наиболее близким к предлагаемому является усилитель с двухканальной ШИМ класса ABD, описанный в патенте [5]. Усилитель-прототип выполняется на двухканальном широтно-импульсном преобразователе, двух ключевых усилителях мощности, реализованных на полумостовых схемах, двух дросселях, двух трансформаторах, конденсаторе выходного фильтра и блокировочном конденсаторе, причем парофазные выходы двухканального ШИМ, синфазные по НЧ модулирующему сигналу и противофазные по напульсному ВЧ напряжению, попарно соединены с входами КУМ, имеющими задержку по включению, выводы электропитания КУМ соединены параллельно и подключены к шинам электропитания, выходы КУМ через соответствующие дроссели подключены к первым и вторым выводам блокировочного конденсатора и первым выводам первичных обмоток соответствующих трансформаторов, вторые выводы которых соединены с нулевой шиной электропитания, вторичные обмотки трансформаторов включены последовательно синфазно по НЧ и подключены к выводам конденсатора фильтра и выходным шинам устройства.Closest to the proposed is an amplifier with two-channel PWM class ABD, described in the patent [5]. The prototype amplifier is performed on a two-channel pulse-width converter, two key power amplifiers implemented on half-bridge circuits, two inductors, two transformers, an output filter capacitor and a blocking capacitor, the vapor-phase outputs of a two-channel PWM in-phase in-phase modulating signal and in-phase in-phase RF voltage, are paired with KUM inputs having a delay on inclusion, KUM power leads are connected in parallel and connected to power buses, in The outputs of the KUM through the corresponding chokes are connected to the first and second terminals of the blocking capacitor and the first conclusions of the primary windings of the corresponding transformers, the second conclusions of which are connected to the zero power bus, the secondary windings of the transformers are connected in series in phase through the low frequency and connected to the terminals of the filter capacitor and the output buses of the device.

Структурная схема устройства прототипа, представленная на фиг.1, содержит двухканальный парофазный ШИП 1, два ключевых усилителя КУМ 2, КУМ 3, дроссели 4, 5, конденсатор 6, два трансформатора 7, 8 и конденсатор 9. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства-прототипа, иллюстрируются на фиг.2.The structural diagram of the device of the prototype, shown in figure 1, contains a two-channel vapor-phase chip 1, two key amplifiers KUM 2, KUM 3, reactors 4, 5, capacitor 6, two transformers 7, 8 and capacitor 9. Timing diagrams explaining the operation of the device- prototype are illustrated in figure 2.

Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом.The operation of the prototype device is as follows.

Двухканальный ШИП 1 формирует две последовательности широтно-модулированных импульсов, имеющих фазу 0 и π на высокой частоте (ВЧ) преобразования f. Такие сигналы с ШИМ могут быть сформированы, например, посредством сравнения входного сигнала U с противофазными пилообразными напряжениями VП1, VП2 (фиг.2). Две последовательности импульсов с парофазных выходов ШИП 1 поступают на прямой и инверсный входы КУМ 2 и КУМ 3. В результате на выходах КУМ, выполненных по полумостовым схемам, формируются знакопеременные импульсные напряжения V1, V2 синфазные по НЧ и противофазные по ВЧ.Two-channel SHIP 1 generates two sequences of pulse-width modulated pulses having phase 0 and π at a high frequency (HF) conversion f. Such PWM signals can be generated, for example, by comparing the input signal U with antiphase sawtooth voltages V P1 , V P2 (figure 2). Two sequences of pulses from the vapor-phase outputs of SHIP 1 are supplied to the direct and inverse inputs of KUM 2 and KUM 3. As a result, alternating pulse voltages V 1 , V 2 in -phase in LF and antiphase in HF are formed at the outputs of KUM made according to half-bridge circuits.

Импульсные напряжения V1, V2 прикладываются через дроссели 4, 5 к выводам блокировочного конденсатора 6. В результате через дроссели 4, 5 и блокировочный конденсатор 6 замыкается ВЧ ток IC, вызванный действием разностного импульсного напряжения VК.The pulse voltages V 1 , V 2 are applied through the inductors 4, 5 to the terminals of the blocking capacitor 6. As a result, the RF current I C is closed through the inductors 4, 5 and the blocking capacitor 6, caused by the action of the differential pulse voltage V K.

Синфазные составляющие сигналов V1, V2 через дроссели 4, 5 также поступают на первичные обмотки трансформаторов 7, 8, вторичные обмотки которых включены согласно последовательно. При идентичных трансформаторах результирующее импульсное напряжение, приведенное к входу фильтра НЧ, выполненного на дросселях 4, 5 и конденсаторе 9, определяется суммарным импульсным напряжением VH=(V1+V2)KT (где KT - коэффициент трансформации напряжения трансформаторов 7, 8).The common-mode components of the signals V 1 , V 2 through the inductors 4, 5 also enter the primary windings of the transformers 7, 8, the secondary windings of which are connected according to series. With identical transformers, the resulting pulse voltage, reduced to the input of the low-pass filter, made on the chokes 4, 5 and capacitor 9, is determined by the total pulse voltage V H = (V 1 + V 2 ) K T (where K T is the voltage transformation coefficient of the transformers 7, 8).

Следует отметить, что частота импульсов суммарного напряжения VH в два раза выше частоты f, а ВЧ составляющие выходного тока IH весьма малы. Выделенное преимущество устройства-прототипа, соответствующее режиму BD, сочетается с наличием знакопеременного ВЧ тока в области малых сигналов и пониженным уровнем гармонических искажений, характерными для режима AD.It should be noted that the pulse frequency of the total voltage V H is two times higher than the frequency f, and the RF components of the output current I H are very small. The highlighted advantage of the prototype device corresponding to the BD mode is combined with the presence of an alternating RF current in the region of small signals and a reduced level of harmonic distortion characteristic of the AD mode.

Таким образом достоинства режима ABD выгодно отличают устройство прототип от известных аналогов сравнительно высоким КПД (до 90%) при удовлетворительном качестве выходных сигналов.Thus, the advantages of the ABD mode favorably distinguish the prototype device from known analogues by its relatively high efficiency (up to 90%) with satisfactory quality of the output signals.

Недостатком устройства прототипа является существенная зависимость амплитуды ВЧ тока от уровня входного сигнала, что приводит к возникновению искажений выходного напряжения, соответствующих обрыву тока дросселей ФНЧ, на относительном уровне напряжения не более 0,2…0,3. На этом уровне типовые нелинейные искажения выходного сигнала, связанные с "зоной молчания", могут достигать 2…4%.The disadvantage of the device of the prototype is a significant dependence of the amplitude of the RF current on the level of the input signal, which leads to distortion of the output voltage corresponding to the breakage of the current of the LPF inductors at a relative voltage level of not more than 0.2 ... 0.3. At this level, typical nonlinear distortions of the output signal associated with the "silence zone" can reach 2 ... 4%.

Попытка увеличить относительный уровень "зоны молчания" в устройстве-прототипе посредством уменьшения индуктивности дросселей фильтра приводит к возрастанию амплитуды ВЧ тока при отсутствии входного сигнала до значений, превышающих максимальную амплитуду НЧ тока, что обуславливает повышение потерь и, как следствие, понижение КПД усилителя. Такой же негативный эффект имеет место в устройстве-прототипе при работе на пьезоэлектрический излучатель с выраженной емкостной проводимостью, где уменьшение индуктивности дросселей фильтра диктуется необходимостью повышения частоты среза ФНЧ при заданной емкости нагрузки.An attempt to increase the relative level of the “silence zone” in the prototype device by reducing the inductance of the filter chokes leads to an increase in the amplitude of the RF current in the absence of an input signal to values exceeding the maximum amplitude of the low frequency current, which leads to an increase in losses and, as a result, a decrease in the efficiency of the amplifier. The same negative effect occurs in the prototype device when operating on a piezoelectric emitter with pronounced capacitive conductivity, where a decrease in the inductance of the filter chokes is dictated by the need to increase the cut-off frequency of the low-pass filter at a given load capacitance.

Другим недостатком устройства прототипа является возможность протекания значительных НЧ токов через первичные обмотки трансформаторов при даже незначительных разбалансах НЧ составляющих выходных напряжений КУМ 2, КУМ 3, что обусловлено подключением вторых выводов первичных обмоток к общей шине электропитания.Another disadvantage of the prototype device is the possibility of significant LF currents flowing through the primary windings of transformers with even insignificant unbalances of the LF components of the output voltages KUM 2, KUM 3, due to the connection of the second terminals of the primary windings to a common power bus.

Выделенные недостатки обуславливают понижение энергетической эффективности, ухудшение надежности и качественных характеристик выходного сигнала при снижении верхней частоты усиливаемых сигналов устройства-прототипа, что ограничивает его использование в широкополосных гидроакустических излучающих трактах.The highlighted disadvantages cause a decrease in energy efficiency, deterioration in the reliability and quality characteristics of the output signal with a decrease in the upper frequency of the amplified signals of the prototype device, which limits its use in broadband sonar emitting paths.

Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности, надежности работы и улучшение характеристик качества выходного сигнала при расширении области применения усилителя класса ABD для гидроакустики.The objective of the present invention is to increase energy efficiency, reliability and improve the quality characteristics of the output signal while expanding the scope of the class ABD amplifier for sonar.

Для решения поставленной задачи в известный усилитель класса ABD, содержащий широтно-импульсный преобразователь, вход которого соединен с входной шиной, а первый и второй выходы которого, соответствующие фазовым сдвигам широтно-импульсной модуляции 0 и π, соединены с входами первого и второго ключевых усилителей мощности, шины электропитания которых подключены к шинам положительного и отрицательного напряжения электропитания, а выходы соединены соответственно через первый и второй дроссели с первыми выводами первичных обмоток первого и второго трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно, а также первый блокировочный конденсатор и конденсатор фильтра, включенный между выходными шинами, введена новая совокупность блоков и связей.To solve this problem, a well-known class ABD amplifier containing a pulse-width converter, the input of which is connected to the input bus, and the first and second outputs of which, corresponding to the phase shifts of pulse-width modulation 0 and π, are connected to the inputs of the first and second key power amplifiers whose power buses are connected to the busbars of the positive and negative power supply voltage, and the outputs are connected, respectively, through the first and second inductors to the first terminals of the primary windings of the first and a second transformer, the secondary windings of which are connected in series, as well as a first blocking capacitor and a filter capacitor connected between the output buses, a new set of blocks and connections is introduced.

В предлагаемом усилителе класса ABD дополнительно введены третий и четвертый ключевые усилители мощности, третий и четвертый дроссели, третий и четвертый трансформаторы, второй блокировочный конденсатор, четыре емкостных делителя, а широтно-импульсный преобразователь снабжен третьим и четвертым выходами, соответствующими фазовым сдвигам широтно-импульсной модуляции π/2 и 3π/4, причем третий и четвертый выходы широтно-импульсного преобразователя соединены с входами третьего и четвертого ключевых усилителей мощности, выходы которых через третий и четвертый дроссели соединены с первыми выводами первичных обмоток третьего и четвертого трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно с вторичными обмотками первого и второго трансформаторов и подключены к выходным шинам, в свою очередь, первый, а также второй блокировочные конденсаторы включены между первыми выводами первичных обмоток первого и третьего, а также второго и четвертого трансформаторов, вторые выводы первичных обмоток которых подключены к средним выводам соответствующих емкостных делителей, включенных выводами положительной и отрицательной полярности к шинам положительного и отрицательного напряжения электропитания, соединенным также к шинам электропитания третьего и четвертого ключевых усилителей мощности.The proposed ABD class amplifier additionally introduces the third and fourth key power amplifiers, the third and fourth chokes, the third and fourth transformers, the second blocking capacitor, four capacitive dividers, and the pulse-width converter is equipped with a third and fourth outputs corresponding to phase shifts of pulse-width modulation π / 2 and 3π / 4, and the third and fourth outputs of the pulse-width converter are connected to the inputs of the third and fourth key power amplifiers, the outputs of which are h the third and fourth inductors are connected to the first terminals of the primary windings of the third and fourth transformers, the secondary windings of which are connected in series with the secondary windings of the first and second transformers and are connected to the output buses, in turn, the first and second blocking capacitors are connected between the first terminals of the primary windings of the first and third, as well as second and fourth transformers, the second terminals of the primary windings of which are connected to the middle terminals of the respective capacitive cases firs terminals included positive and negative polarity to the busbars of positive and negative voltage supply is also connected to the power supply buses and the fourth key of the third power amplifiers.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении энергетической эффективности и надежности работы при улучшении характеристик качества выходного сигнала.The technical result from the use of the invention is to increase energy efficiency and reliability while improving the quality characteristics of the output signal.

Обеспечение технического результата достигается реализацией гарантированной зоной ABD до глубины модуляции (относительном уровне усиливаемого сигнала) m=0,5 и отсутствием возможности протекания НЧ выходного тока КУМ при допустимой не идентичности НЧ составляющих импульсного напряжения. Причем амплитуда ВЧ выходного тока в заявленном устройстве в диапазоне модуляции m=0…0,5 практически не изменяется и может быть обеспечена на уровне половины максимальной амплитуды НЧ выходного тока КУМ при величине результирующей индуктивности дросселей в два раза меньше, чем в устройстве-прототипе. Последнее обстоятельство позволяет более чем в 1,5 раза расширить диапазон частот усиливаемых сигналов при возбуждении широкополосных гидроакустических преобразователей с выраженной емкостной составляющей проводимости.The technical result is achieved by implementing the guaranteed zone ABD up to the modulation depth (relative level of the amplified signal) m = 0.5 and the inability of the low-frequency output current of the CMF to flow with acceptable non-identical low-frequency components of the pulse voltage. Moreover, the amplitude of the RF output current in the claimed device in the modulation range m = 0 ... 0.5 is practically unchanged and can be ensured at half the maximum amplitude of the low-frequency output current of the CMC with the resultant inductance of the inductors half as much as in the prototype device. The latter circumstance allows us to expand the frequency range of amplified signals by more than 1.5 times during the excitation of broadband sonar transducers with a pronounced capacitive component of conductivity.

Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах усилительной техники ранее не использовалась, позволяет впервые реализовать режим ABD в усилителе с четырехканальной ШИМ для обеспечения повышения энергетической эффективности, надежности работы и улучшения характеристик качества выходного сигнала. Положительный эффект достигается не суммарным наращиванием блоков в усилителе с четырехканальной ШИМ, а связан с новой, ранее не использованной структурой реализации режима ABD ключевых усилителей мощности при относительном фазовом сдвиге широтно-импульсной модуляции π/2.The set of newly introduced blocks and connections in the known devices of amplification equipment has not been used before, it allows for the first time to implement the ABD mode in an amplifier with a four-channel PWM to provide increased energy efficiency, reliability and improved quality characteristics of the output signal. The positive effect is achieved not by the total build-up of blocks in an amplifier with a four-channel PWM, but is associated with a new, previously unused structure of the implementation of the ABD mode of key power amplifiers with a relative phase shift of pulse-width modulation π / 2.

Особенность реализации устройства-прототипа и сущность изобретения поясняются фиг.1, 2 и фиг.3, 4 соответственно. Структурные схемы устройства прототипа и предлагаемого устройства приведены на фиг.1 и фиг.3, а временные диаграммы сигналов, поясняющие их работу, иллюстрируются на фиг.2 и фиг.4.The implementation of the prototype device and the essence of the invention are illustrated in figure 1, 2 and figure 3, 4, respectively. Structural diagrams of the device of the prototype and the proposed device are shown in figure 1 and figure 3, and timing diagrams of signals explaining their operation are illustrated in figure 2 and figure 4.

Предлагаемый усилитель класса ABD (фиг.3) содержит широтно-импульсный преобразователь (ШИП) 1, выполненный четырехканальным, а также четыре ключевых усилителя мощности (КУМ) 2, 3 и 10, 11, соединенные входами с выходами ШИП 1, соответствующим фазовым сдвигам по частоте ШИМ 0, π/4 и π/2, 3π/2, причем КУМ 2, 3 и 10, 11 попарно включены параллельно через дроссели 4, 5 и 12, 13 и блокировочные конденсаторы 6 и 14. В свою очередь, выходы КУМ 2, 3 и 10, 11 подключены через первичные обмотки трансформаторов 7, 8 и 15, 16 к средним выводам емкостных делителей 17, 18, 19, 20, включенных между шинами положительного и отрицательного электропитания, соединенных с соответствующими выводами электропитания КУМ 17, 18, 19, 20. Вторичные обмотки трансформаторов 7, 8 и 15, 16 соединены последовательно и подключены к выводам конденсатора 9 фильтра с выходными шинами.The proposed amplifier class ABD (figure 3) contains a pulse-width converter (NIP) 1, made four-channel, as well as four key power amplifiers (AMC) 2, 3 and 10, 11, connected by inputs to the outputs of the NIP 1, corresponding to the phase shifts PWM frequency 0, π / 4 and π / 2, 3π / 2, and KUM 2, 3 and 10, 11 are paired in parallel through the chokes 4, 5 and 12, 13 and blocking capacitors 6 and 14. In turn, the outputs of the KUM 2, 3 and 10, 11 are connected through the primary windings of transformers 7, 8 and 15, 16 to the middle terminals of the capacitive dividers 17, 18, 19, 20, connected between positive and negative power supply buses connected to the corresponding KUM power supply terminals 17, 18, 19, 20. The secondary windings of transformers 7, 8 and 15, 16 are connected in series and connected to the terminals of the filter capacitor 9 with output buses.

Ключевые усилители мощности выполняются по известной полумостовой схеме [5] с задержкой включения транзисторов для предотвращения сквозных токов транзистор-транзистор.Key power amplifiers are performed according to the well-known half-bridge circuit [5] with a delay in turning on the transistors to prevent through-currents of the transistor-transistor.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: четырехканальный ШИМ-1 формирует четыре последовательности широтно-модулированных импульсов с фазовым сдвигом 0, π/2, π, 3π/2. Такое формирование может быть обеспечено, например, посредством сравнения усиливаемого сигнала U с пилообразными напряжениями VП1, VП2, VП3, VП4 с временным сдвигом, 0, T/4, T/2, 3T/4 соответственно (T-период ШИМ преобразования). В результате на выходах КУМ формируются знакопеременные импульсные напряжения V1, V3 и V2, V4, определяемые соотношениемThe operation of the proposed device is as follows: four-channel PWM-1 generates four sequences of pulse-width modulated pulses with a phase shift of 0, π / 2, π, 3π / 2. Such formation can be achieved, for example, by comparing the amplified signal U with the sawtooth voltages V P1 , V P2 , V P3 , V P4 with a time shift, 0, T / 4, T / 2, 3T / 4, respectively (T-period PWM conversion). As a result, alternating impulse voltages V 1 , V 3 and V 2 , V 4 , determined by the ratio

V 1 = E s i g n [ U ( t ) V П 1 ( t ) ] ; V 2 = E s i g n [ U ( t ) V П 2 ( t ) ] ; V 3 = E s i g n [ U ( t ) V П 3 ( t ) ] ; V 4 = E s i g n [ U ( t ) V П 4 ( t ) ] . ( 1 )

Figure 00000001
V one = E s i g n [ U ( t ) - V P one ( t ) ] ; V 2 = E s i g n [ U ( t ) - V P 2 ( t ) ] ; V 3 = E s i g n [ U ( t ) - V P 3 ( t ) ] ; V four = E s i g n [ U ( t ) - V P four ( t ) ] . ( one )
Figure 00000001

где VП1(t)=VП2(t+T/2)=VП3(t+T/4)=VП4(t+3T/4).where V П1 (t) = V П2 (t + T / 2) = V П3 (t + T / 4) = V П4 (t + 3T / 4).

Импульсные напряжения V1, V3 и V2, V4 попарно прикладываются к выходам блокировочных конденсаторов 6 и 14 через дроссели 4, 5 и 12, 13. Результирующие импульсные напряжения VК1=(V1-V3) и VК2=(V2-V4) вызывают протекание через блокировочные конденсаторы 6 и 14 высокочастотных токов IC1, IC2 (фиг.4).The pulse voltages V 1 , V 3 and V 2 , V 4 are applied in pairs to the outputs of the blocking capacitors 6 and 14 through the inductors 4, 5 and 12, 13. The resulting pulse voltages V K1 = (V 1 -V 3 ) and V K2 = ( V 2 -V 4 ) cause the flow through the blocking capacitors 6 and 14 of the high-frequency currents I C1 , I C2 (figure 4).

Амплитуда ВЧ тока при отсутствии входного сигнала U=0 (m=0) определяется выражениемThe amplitude of the RF current in the absence of an input signal U = 0 (m = 0) is determined by the expression

I В Ч М = E / 4 f L .                                        ( 2 )

Figure 00000002
I AT H M = E / four f L . ( 2 )
Figure 00000002

Следует обратить внимание, что величина IВЧМ в предлагаемом устройстве может достигать величины Max(IВЧ), характерной для известного устройства, в условиях в два раза меньшей результирующей индуктивности дросселей. Отмеченное обстоятельство объясняется тем, что в предлагаемом устройстве вследствие временного сдвига T/4 напряжений V1, V3 и V2, V4 результирующие разностные сигналы VК1 и VК2 представляют для m=0 симметричные разнополярные импульсы длительностью T/4. Это приводит к двукратному уменьшению амплитуды ВЧ тока по сравнению с импульсным сигналом типа меандр длительностью импульсов T/2, соответствующей принципу действия устройства-прототипа.It should be noted that the value of I HFM in the proposed device can reach the value Max (I HF ), which is typical for the known device, under conditions half the resulting inductance of the chokes. This circumstance is explained by the fact that in the proposed device, due to a temporary T / 4 shift of the voltages V 1 , V 3 and V 2 , V 4, the resulting difference signals V K1 and V K2 represent for m = 0 symmetrical unipolar pulses of duration T / 4. This leads to a twofold decrease in the amplitude of the RF current compared with a pulsed signal of the meander type with a pulse duration of T / 2, corresponding to the principle of operation of the prototype device.

С увеличением уровня усиливаемого сигнала в диапазоне от m=0…0,5 амплитуда ВЧ тока в предлагаемом устройстве практически сохраняется, так как результирующая длительность импульсов разностных сигналов изменяется незначительно.With increasing level of the amplified signal in the range from m = 0 ... 0.5, the amplitude of the RF current in the proposed device is practically preserved, since the resulting pulse duration of the difference signals varies slightly.

Выделенные преимущества предлагаемого устройства обеспечивают возможность реализации постоянной зоны режима ABD в диапазоне m≤0,5. При этом минимальное значение результирующей индуктивности фильтра Lmin может быть обеспечено в два раза ниже, чем в известном устройстве.The highlighted advantages of the proposed device provide the possibility of realizing a constant zone of the ABD mode in the range m≤0.5. In this case, the minimum value of the resulting filter inductance L min can be provided two times lower than in the known device.

Включение блокировочных конденсаторов 6 и 14 в предлагаемом устройстве, также как в известном, не влияет на параметры результирующего ФНЧ. Это объясняется тем, что НЧ составляющие напряжений V1, V3 и V2, V4, определяемые усиливаемым сигналом, синфазны и равны по амплитуде. Следовательно, через конденсаторы 6, 14 НЧ ток практически не замыкается. Синфазные НЧ и ВЧ составляющие импульсных сигналов V1, V3 и V2, V4 не фильтруются блокировочными конденсаторами 6, 14, поступают непосредственно на первичные обмотки трансформаторов 7, 8 и 15, 16 и складываются в последовательно включенных вторичных обмотках не выходе устройства. Приведенное суммарное выходное напряжение соответствует результирующему импульсному сигналу при четырехканальной ШИМ. Напряжение VH имеет учетверенную частоту переключений, обладает улучшенной формой и спектральным составом, что значительно упрощает условия фильтрации ВЧ составляющих выходного сигнала при весьма малых пульсациях выходного тока IH (фиг.4).The inclusion of blocking capacitors 6 and 14 in the proposed device, as well as in the known one, does not affect the parameters of the resulting low-pass filter. This is because the low-frequency components of the voltages V 1 , V 3 and V 2 , V 4 , determined by the amplified signal, are in phase and equal in amplitude. Therefore, through the capacitors 6, 14 LF current is practically not closed. In-phase LF and HF components of the pulsed signals V 1 , V 3 and V 2 , V 4 are not filtered by blocking capacitors 6, 14, they go directly to the primary windings of transformers 7, 8 and 15, 16 and are stacked in series-connected secondary windings not at the output of the device. The given total output voltage corresponds to the resulting pulse signal at four-channel PWM. The voltage V H has a quadruple switching frequency, has an improved shape and spectral composition, which greatly simplifies the filtering conditions of the RF components of the output signal with very small ripples of the output current I H (Fig. 4).

Применение в предлагаемом устройстве отдельных емкостных делителей 17, 18, 19, 20 для каждого ключевого усилителя мощности исключает возможный разбаланс НЧ токов КУМ и возникновение постоянного тока первичных обмоток трансформаторов, обусловленных не идеальностью формирования широтно-модулированных импульсных последовательностей. Выделенное преимущество заметно повышает надежность работы предлагаемого устройства.The use in the proposed device of individual capacitive dividers 17, 18, 19, 20 for each key power amplifier eliminates the possible imbalance of the LF currents of the KUM and the appearance of a direct current of the primary windings of the transformers, due to the imperfect formation of the pulse-width modulated sequences. The highlighted advantage significantly increases the reliability of the proposed device.

Двукратное уменьшение величины Lmin при гарантированном обеспечении зоны ABD в диапазоне m=0…0,5 позволяет:A twofold decrease in L min with guaranteed provision of the ABD zone in the range m = 0 ... 0.5 allows:

во-первых, обеспечить линейность амплитудной характеристики усиления для выходного НЧ тока до 0,5 от максимального значения;firstly, to ensure the linearity of the amplitude characteristics of amplification for the output low-frequency current up to 0.5 of the maximum value;

во-вторых, в два раза уменьшить минимально достаточную величину индуктивности результирующего фильтра при заданной максимальной амплитуде ВЧ тока КУМ;secondly, to halve the minimum sufficient value of the inductance of the resulting filter at a given maximum amplitude of the RF current of the CMC;

в-третьих, реализовать постоянство амплитуды ВЧ тока в широком диапазоне изменения выходного НЧ тока.thirdly, to realize the constancy of the amplitude of the RF current in a wide range of changes in the output LF current.

Выделенные преимущества режима ABD, реализуемые в предлагаемом устройстве, приводят более чем к двукратному уменьшению нелинейных искажений выходного сигнала, особенно в граничном режиме не более 1…1,5%, уменьшению потерь энергии вследствие мягких траекторий переключения и повышению КПД до 95%, расширению верхнего диапазона частот усиливаемых сигналов более чем 20 кГц при частоте переключений 100 кГц, в том числе, для активно-емкостной нагрузки.The highlighted advantages of the ABD mode, implemented in the proposed device, lead to more than a twofold decrease in nonlinear distortion of the output signal, especially in the boundary mode, not more than 1 ... 1.5%, reduction of energy losses due to soft switching paths and an increase in efficiency up to 95%, expansion of the the frequency range of amplified signals of more than 20 kHz with a switching frequency of 100 kHz, including for active capacitive loading.

Совокупность преимуществ заявляемого устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить в передающие тракты гидролокации и звукоподводной связи. В настоящее время разработан опытный образец усилителя класса ABD, созданный на основе заявляемого устройства. Результаты испытаний подтвердили представленные преимущества. Опытный образец усилителя при номинальной выходной мощности 5 кВА обеспечивает номинальный КПД 95%, динамический диапазон более 60 дБ, диапазон рабочих частот 25 кГц.The combination of advantages of the claimed device compares it favorably with known devices and allows you to introduce sonar and sound communication into the transmitting paths. Currently developed a prototype amplifier class ABD, created on the basis of the claimed device. Test results confirmed the benefits presented. A prototype amplifier with a rated output power of 5 kVA provides a nominal efficiency of 95%, a dynamic range of more than 60 dB, a range of operating frequencies of 25 kHz.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявленного технического решения, что подтверждает обоснованность его внедрения в передающей аппаратуре звукоподводной связи.The conducted experimental studies have confirmed the advantages of the claimed technical solution, which confirms the validity of its implementation in transmitting equipment under sound communication.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. - М.: Связь, 1980, с.207.1. 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, No. 10.

4. Патент США №4115740 МКИ HOF 3/16 приоритет от 19.09.1978.4. US Patent No. 4115740 MKI HOF 3/16 priority of 09/19/1978.

5. Патент РФ №2188498 МКИ HOF 3/217 приоритет от 29.01.2001.5. RF patent No. 2188498 MKI HOF 3/217 priority of January 29, 2001.

Claims (1)

Усилитель класса ABD, содержащий широтно-импульсный преобразователь, вход которого соединен с входной шиной устройства, а первый и второй выходы, соответствующие фазовым сдвигам широтно-импульсной модуляции 0 и π, соединены с входами первого и второго ключевых усилителей мощности, шины электропитания которых подключены к шинам положительного и отрицательного напряжения электропитания, а выходы соответственно через первый и второй дроссели соединены с первыми выводами первичных обмоток первого и второго трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно, а также первый блокировочный конденсатор и конденсатор фильтра, включенный между выходными шинами, отличающийся тем, что в него введены третий и четвертый ключевые усилители мощности, третий и четвертый дроссели, третий и четвертый трансформаторы, второй блокировочный конденсатор, четыре емкостных делителя, а широтно-импульсный преобразователь дополнительно снабжен третьим и четвертым выходами, соответствующими фазовым сдвигам широтно-импульсной модуляции π/2 и 3π/4, причем третий и четвертый выходы широтно-импульсного преобразователя соединены с входами третьего и четвертого ключевых усилителей мощности, выходы которых через третий и четвертый дроссели соединены с первыми выводами первичных обмоток третьего и четвертого трансформаторов, вторичные обмотки которых включены последовательно с вторичными обмотками первого и второго трансформаторов и подключены к выходным шинам устройства, в свою очередь, первый, а также второй блокировочные конденсаторы включены между первыми выводами первичных обмоток первого и третьего, а также второго и четвертого выходных трансформаторов, вторые выводы первичных обмоток которых подключены к средним выводам соответствующих емкостных делителей, включенных выводами положительной и отрицательной полярности соответственно к шинами положительного и отрицательного напряжения электропитания, соединенным также к шинам электропитания третьего и четвертого ключевых усилителей мощности. An ABD class amplifier containing a pulse-width converter, the input of which is connected to the input bus of the device, and the first and second outputs corresponding to the phase shifts of pulse-width modulation 0 and π are connected to the inputs of the first and second key power amplifiers, the power buses of which are connected to the buses of positive and negative voltage, and the outputs, respectively, through the first and second inductors are connected to the first conclusions of the primary windings of the first and second transformers, secondary which are connected in series, as well as a first blocking capacitor and a filter capacitor connected between the output buses, characterized in that the third and fourth key power amplifiers, the third and fourth chokes, the third and fourth transformers, the second blocking capacitor, four capacitive dividers are introduced into it and the pulse-width converter is additionally equipped with third and fourth outputs corresponding to phase shifts of pulse-width modulation π / 2 and 3π / 4, the third and fourth outputs A pulse-width converter is connected to the inputs of the third and fourth key power amplifiers, the outputs of which through the third and fourth chokes are connected to the first terminals of the primary windings of the third and fourth transformers, the secondary windings of which are connected in series with the secondary windings of the first and second transformers and are connected to the output buses devices, in turn, the first, as well as the second blocking capacitors are connected between the first terminals of the primary windings of the first and third, and e which are connected to the intermediate tap corresponding capacitive dividers included terminals of positive and negative polarity respectively to the positive and negative rails of voltage supply, is also connected to the power supply buses and the fourth key of the third power amplifiers of the second and fourth output transformer, the second terminals of the primary windings.
RU2013135432/08A 2013-07-26 2013-07-26 Abd hydroacoustic amplifier RU2526280C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013135432/08A RU2526280C1 (en) 2013-07-26 2013-07-26 Abd hydroacoustic amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013135432/08A RU2526280C1 (en) 2013-07-26 2013-07-26 Abd hydroacoustic amplifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2526280C1 true RU2526280C1 (en) 2014-08-20

Family

ID=51384796

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013135432/08A RU2526280C1 (en) 2013-07-26 2013-07-26 Abd hydroacoustic amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2526280C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749015C1 (en) * 2020-09-03 2021-06-03 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Analog signal amplifier
RU2777046C1 (en) * 2021-07-05 2022-08-01 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Class g amplifier

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4115740A (en) * 1976-11-18 1978-09-19 Sony Corporation Push-pull pulse amplifier having improved turn-on and turn-off times
RU2188498C1 (en) * 2001-01-29 2002-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Class d dual-channel amplifier
RU45059U1 (en) * 2004-12-06 2005-04-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "УралАвиапроект" DC / AC CONVERTER
RU2410829C1 (en) * 2009-11-25 2011-01-27 Николай Григорьевич Тупиков Method to reduce saturation of pulse converter transformer and converter for its realisation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4115740A (en) * 1976-11-18 1978-09-19 Sony Corporation Push-pull pulse amplifier having improved turn-on and turn-off times
RU2188498C1 (en) * 2001-01-29 2002-08-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Class d dual-channel amplifier
RU45059U1 (en) * 2004-12-06 2005-04-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное объединение "УралАвиапроект" DC / AC CONVERTER
RU2410829C1 (en) * 2009-11-25 2011-01-27 Николай Григорьевич Тупиков Method to reduce saturation of pulse converter transformer and converter for its realisation

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749015C1 (en) * 2020-09-03 2021-06-03 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Analog signal amplifier
RU2777046C1 (en) * 2021-07-05 2022-08-01 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Class g amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DK2845314T3 (en) CLASS-D AUDIO AMPLIFIER WITH ADJUSTABLE LOOP FILTER FEATURES
EP2654205B1 (en) Class D Amplifiers
US8744378B2 (en) LINC transmitter with improved efficiency
KR20130033392A (en) Power amplifier with transistor input mismatching
USRE40550E1 (en) Method and device for improved class BD amplification having single-terminal alternating-rail dual-sampling topology
Varlamov Multiphase PWM characteristics in the EER transmitter envelope path
Muggler et al. A filter free class D audio amplifier with 86% power efficiency
CN108768320A (en) The method of D classes switching amplifier and controlling loudspeaker
RU2526280C1 (en) Abd hydroacoustic amplifier
US6963189B2 (en) Attenuation control for digital power converters
US9263992B1 (en) Class D amplifier with variable switching frequency
EP3396856A1 (en) Push-pull amplification systems and methods
US9024687B2 (en) Method and circuit for driving a switch-mode amplifier array
WO2023155600A1 (en) Common-mode voltage dynamic modulation circuit and method and d-class audio power amplifier
KR101655769B1 (en) Wide-band switching amplifier by combination of switching operation with a plurality of phases
RU2188498C1 (en) Class d dual-channel amplifier
RU2794346C1 (en) Class d amplifier
JPWO2018074317A1 (en) Power amplifier
US10469042B1 (en) Audio amplifier circuit
US10418950B1 (en) Methods and apparatus for a class-D amplifier
US10483914B2 (en) Very high fidelity audio amplifier
RU2776830C1 (en) Class h amplifier
RU2796945C1 (en) Class d amplifier channel pulse width modulator
JP2020516192A (en) Broadband power amplifier device
US11837999B2 (en) Audio amplifier having idle mode

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160727