RU2749015C1 - Analog signal amplifier - Google Patents
Analog signal amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2749015C1 RU2749015C1 RU2020129268A RU2020129268A RU2749015C1 RU 2749015 C1 RU2749015 C1 RU 2749015C1 RU 2020129268 A RU2020129268 A RU 2020129268A RU 2020129268 A RU2020129268 A RU 2020129268A RU 2749015 C1 RU2749015 C1 RU 2749015C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- power supply
- input
- key
- power
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/217—Class D power amplifiers; Switching amplifiers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических и гидроакустических широкополосных усилителях мощности режимов гидросвязи и гидролокации.The invention relates to the field of amplification and generator technology and can be used in acoustic and hydroacoustic broadband power amplifiers in hydraulic communication and sonar modes.
Известны технические решения устройств усиления аналоговых сигналов [Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь 1988, 240 с., Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь. 1980., с. 207], использующих линейный и ключевой методы усиления. Наряду с известными преимуществами, такими как малые нелинейные искажения и широкий динамический диапазон, линейные усилители [Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь 1988, 240 с.] имеют большие потери энергии, относительная величина которых может быть соизмерима с номинальной выходной мощностью устройства. В свою очередь, ключевые усилители мощности (усилители класса D) обладают высокой энергетической эффективностью при относительных потерях не более 0,1 от номинальной выходной мощности, но вместе с тем характеризуются значительными искажениями, особенно при малом уровне выходного сигнала.Known technical solutions for amplification devices for analog signals [Kibakin V.M. Fundamentals of the theory and calculation of transistor low-frequency power amplifiers. M .: Radio and communication 1988, 240 p., Artym A.D. Class D amplifiers and key generators for radio communication and broadcasting. M .: Communication. 1980., p. 207] using linear and key amplification methods. Along with the well-known advantages, such as low nonlinear distortion and a wide dynamic range, linear amplifiers [Kibakin V.M. Fundamentals of the theory and calculation of transistor low-frequency power amplifiers. M .: Radio and communication 1988, 240 pp.] Have large energy losses, the relative value of which can be commensurate with the nominal output power of the device. In turn, key power amplifiers (class D amplifiers) have high energy efficiency with a relative loss of no more than 0.1 of the rated output power, but at the same time they are characterized by significant distortion, especially at a low output signal level.
Одним из факторов, ограничивающих динамический диапазон усилителей класса D, является проникновение высокочастотных продуктов импульсного преобразования аналогового сигнала на выход устройства, что, как правило, ограничивает динамический диапазон усиления на уровне (30-40) дБ. В техническом решении [Авторское свидетельство СССР №1239735 «Усилитель класса D». опубл. 23.06.84] предложено параллельное включение ключевого усилителя и линейного усилителя через связанные обмотки дросселя фильтра нижних частот для подавления высокочастотных (ВЧ) составляющих на нагрузке. Однако, при этом сохраняются существенные нелинейные искажения, присущие усилителю класса D в части передачи сигналов малого уровня. В результате динамический диапазон может быть расширен до (40-50) дБ при нелинейных искажениях выходного напряжения (1-3) % с увеличением искажений до (10-30) %.One of the factors limiting the dynamic range of Class D amplifiers is the penetration of high-frequency analog pulse conversion products into the output of the device, which typically limits the dynamic range of amplification to (30-40) dB. In the technical solution [USSR author's certificate No. 1239735 "Class D amplifier". publ. 06/23/84] proposed parallel connection of a key amplifier and a linear amplifier through the associated windings of the low-pass filter choke to suppress high-frequency (HF) components on the load. However, this retains the significant nonlinear distortion inherent in a class D amplifier in terms of transmitting low-level signals. As a result, the dynamic range can be expanded to (40-50) dB with nonlinear distortion of the output voltage (1-3)% with an increase in distortion up to (10-30)%.
Техническая задача расширения динамического диапазона усиления в условиях пониженных потерь энергии при работе на резистивную нагрузку может быть решена использованием усилителей класса G [Догадин Н.Б. Аналого-дискретные усилители. Монография. Волгоград - СПб, 2003, 216 с.], в которых звено линейного усиления дополнено звеньями ключевого переключения ступеней напряжения электропитания. В отличии от усилителей класса В, где максимальный КПД не превышает (70-75) %, в усилителях класса G при трех ступенях электропитания, КПД может быть увеличен до значения 90% при потерях энергии около 10%, соизмеримых с усилителями класса D. Однако, при работе на комплексную нагрузку с коэффициентом активной мощности cosϕ=0,1-0,3 относительные потери энергии рп в таких устройствах существенно возрастают:The technical problem of expanding the dynamic range of amplification in conditions of low energy losses when operating on a resistive load can be solved using class G amplifiers [Dogadin NB. Analog-discrete amplifiers. Monograph. Volgograd - SPb, 2003, 216 p.], In which the linear amplification link is supplemented with the links for key switching of the power supply voltage steps. Unlike class B amplifiers, where the maximum efficiency does not exceed (70-75)%, in class G amplifiers with three power stages, the efficiency can be increased to 90% with an energy loss of about 10%, comparable to class D amplifiers. However , when operating on a complex load with an active power factor cosϕ = 0.1-0.3, the relative energy losses p p in such devices increase significantly:
где Pzmax, Pпmax - максимальные величины полной выходной мощности и мощности потерь, соответственно.where P zmax , P пmax are the maximum values of the total output power and power losses, respectively.
Уменьшить потери энергии при повышении показателей качества усиливаемого сигнала, таких как динамический диапазон и линейность амплитудной характеристики, позволяет прецизионный усилитель аналоговых сигналов, описанный в патенте РФ №2514928 на «Прецизионный усилитель аналоговых сигналов», опубл. 27.01.2014,. Настоящее устройство по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предлагаемого устройства и может быть принято за прототип изобретения.Reducing energy losses while increasing the quality of the amplified signal, such as the dynamic range and linearity of the amplitude characteristic, allows a precision amplifier for analog signals, described in RF patent No. 2514928 for "Precision amplifier for analog signals", publ. 01/27/2014 ,. The present device by the number of common features is the closest analogue of the proposed device and can be taken as a prototype of the invention.
Устройство-прототип использует для усиления аналоговых сигналов параллельное включение линейного усилителя и ключевого усилителя мощности (УМ), охваченных общей обратной связью по выходному току. В результате мощность выходного сигнала делится поровну между линейным и ключевым звеньями усиления.The prototype device uses parallel connection of a linear amplifier and a key power amplifier (PA), covered by a general output current feedback, to amplify analog signals. As a result, the output signal power is divided equally between the linear and key amplification links.
Структурная схема устройства-прототипа, представленная на фиг. 1, содержит буферный усилитель 1 (БУ), двухканальную схему 2 прохождения аналогового сигнала (ДС), усилитель 3 мощности (УМ), выполненный линейным, ключевой усилитель 4 мощности (УМ), выполненный ключевым, фильтр 5 нижних частот (ФНЧ), сумматор 6 (СМ) и источник электропитания 7 (ИП). В известном устройстве двухканальная схема 2 может содержать дополнительный драйвер аналогового сигнала для линейного усилителя 3 при включении драйвера импульсных сигналов в состав ключевого усилителя мощности 4. Реализация отрицательной обратной связи (ООС) по выходному току обеспечивается двухканальной схемой, формирующей разностные сигналы для линейного усилителя 3 и ключевого усилителя 4 и, тем самым, обеспечивается выравнивание их выходных токов при результирующей передаточной характеристике усилительного устройства, приближенной к «генератору тока». В случае активной нагрузки это не сказывается на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) выходного напряжения. Однако при комплексной нагрузке, характерной для работы гидроакустических преобразователей (ГАП) в режимах гидросвязи и гидролокации в условиях значительного изменения их импеданса (нагрузки) Z в полосе рабочих частот (более чем в 3 раза) аналогичным образом будет изменяться и выходное напряжение.The block diagram of the prototype device shown in Fig. 1, contains a buffer amplifier 1 (BU), a two-
Вместе с тем глубина ООС по выходному току может достигать 20 дБ, что позволяет практически в десять раз уменьшить нелинейность амплитудной характеристики, характерной ключевому усилителю 4 мощности, и существенно подавить ВЧ составляющие напряжения на нагрузке. Таким образом, динамический диапазон усиления в устройстве-прототипе приближается к динамическому диапазону, характерному для высококачественных линейных усилителей. Причем, в случае применения такого устройства практически в два раза уменьшаются максимальные потери энергии, в том числе при работе на комплексную нагрузку. Последнее обстоятельство объясняется тем, что существенная часть мощности выходного сигнала (не менее 50%) проходит через ключевой усилитель 4 с весьма низкими относительными потерями энергии . Соответственно даже при относительных потерях энергии в линейном усилителе до 70-90% общие потери энергии в усилительном устройстве не превышают 40-50%, что выгодно отличает его от известных технических аналогов на основе линейных усилителей класса В и G.At the same time, the OOS depth for the output current can reach 20 dB, which makes it possible to almost tenfold reduce the nonlinearity of the amplitude characteristic characteristic of the
Однако достигнутого показателя энергетической эффективности устройства-прототипа недостаточно для реализации усилительных устройств аналоговых сигналов гидросвязи, где выходная мощность достигает 10 кВА. При этом неравномерность АЧХ выходного устройства в условиях работы на изменяющуюся нагрузку является неприемлемой применительно к широкополосным режимам гидросвязи.However, the achieved indicator of the energy efficiency of the prototype device is not enough for the implementation of amplifying devices for analog signals in hydraulic communications, where the output power reaches 10 kVA. In this case, the unevenness of the frequency response of the output device under conditions of operation with a varying load is unacceptable in relation to broadband modes of hydraulic communication.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности и равномерности АЧХ выходного напряжения устройства усиления аналоговых сигналов в условиях работы на комплексную нагрузку.The objective of the present invention is to improve the energy efficiency and uniformity of the frequency response of the output voltage of the device for amplifying analog signals under conditions of operation on a complex load.
Для решения поставленной задачи в известное устройство усиления аналоговых сигналов, содержащее источник электропитания, соединенный входом к шине электропитания и буферный усилитель, вход которого подключен к шине выходного сигнала, а выход - к входу двуканальной схемы, первый выход которой соединен через первый ключевой усилитель мощности и первый фильтр нижних частот с первым входом сумматора, а второй выход - с входом второго усилителя, причем выход сумматора подключен к выходной шине, предлагается ввести преобразователь кода, подключенный входом к шине передачи данных, диодный сумматор и второй фильтр нижних частот, причем второй усилитель выполнен в виде второго ключевого усилителя мощности, двухканальная схема реализована на двухканальном широтно-импульсном модуляторе, буферный усилитель снабжен цифровым входом управления, а источник электропитания выполнен многоканальным, входы каналов которого объединены и являются входом источника электропитания, а выходы подключены к входам диодного сумматора, выход которого подключен к выводам электропитания первого и второго ключевых усилителей мощности, при этом входы управления каналов источника электропитания подключены к соответствующим выходам преобразователя кода, цифровой выход которого соединен с цифровым входом управления буферного усилителя.To solve the problem, a known analog signal amplification device contains a power supply connected by an input to the power supply bus and a buffer amplifier, the input of which is connected to the output signal bus, and the output to the input of a two-channel circuit, the first output of which is connected through the first key power amplifier and the first low-pass filter with the first input of the adder, and the second output with the input of the second amplifier, and the output of the adder is connected to the output bus, it is proposed to introduce a code converter connected by the input to the data transfer bus, a diode adder and a second low-pass filter, and the second amplifier is made in the form of a second key power amplifier, the two-channel circuit is implemented on a two-channel pulse-width modulator, the buffer amplifier is equipped with a digital control input, and the power supply is multichannel, the channel inputs of which are combined and are the input of the power supply, and the outputs are connected to the inputs diode adder, the output of which is connected to the power supply terminals of the first and second key power amplifiers, while the control inputs of the power supply channels are connected to the corresponding outputs of the code converter, the digital output of which is connected to the digital control input of the buffer amplifier.
Дополнительно в устройство усиления аналоговых сигналов для стабилизации выходного напряжения в условиях изменения электропитания могут быть введены ключевая схема, датчик напряжения, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого подключен к дополнительному входу преобразователя кода, а вход через датчик напряжения к шине электропитания, подключенной также через ключевую схему к дополнительному входу диодного сумматора, причем вход управления ключевой схемы соединен с дополнительным выходом преобразователя кода.In addition, a key circuit, a voltage sensor, an analog-to-digital converter (ADC), the output of which is connected to the additional input of the code converter, and the input through the voltage sensor to the power supply bus connected also through the key circuit to the additional input of the diode adder, and the control input of the key circuit is connected to the additional output of the code converter.
Технический результат от применения совокупности новых признаков обеспечивает повышение энергетической эффективности при более чем двукратном уменьшении потерь энергии за счет полного перехода к применению ключевых усилителей мощности в условиях обеспечения равномерности АЧХ выходного напряжения при расширении динамического диапазона усиления до (60-70) дБ посредством использования дискретного управления уровнем входного сигнала и ступенчатого изменения напряжения электропитания ключевого УМ.The technical result from the use of a set of new features provides an increase in energy efficiency with a more than two-fold decrease in energy losses due to a complete transition to the use of key power amplifiers in conditions of ensuring uniformity of the frequency response of the output voltage while expanding the dynamic range of amplification to (60-70) dB by using discrete control the level of the input signal and stepwise change in the power supply voltage of the key PA.
Дополнительные преимущества предлагаемого технического решения достигаются в условиях повышения уровня номинальной выходной мощности до 10 кВА при электропитании ключевого УМ на максимальной градации мощности непосредственно от объектовой сети за счет принципиального уменьшения потерь в источнике электропитания и стабилизации выходного напряжения посредством обратно пропорционального управления уровнем входного сигнала в соответствии с изменением напряжения сети объекта.Additional advantages of the proposed technical solution are achieved under conditions of increasing the level of rated output power up to 10 kVA when the key PA is supplied with power at the maximum power gradation directly from the facility network due to a fundamental reduction in losses in the power supply and stabilization of the output voltage through inversely proportional control of the input signal level in accordance with by changing the voltage of the facility network.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где представлены структурные схемы устройства прототипа (фиг. 1) и заявляемого устройства (фиг. 2) усиления аналоговых сигналов, а также иллюстрация диаграмм сигналов (фиг. 3), поясняющие особенности работы предлагаемого технического решения при дискретном управлении уровнем входного сигнала и ступенчатом изменении напряжения электропитания, в том числе в условиях прямого электропитания от изменяющегося напряжения объектовой сети в режиме большой мощности (пунктирные линии). На фиг. 3 приняты следующие обозначения:The essence of the invention is illustrated in FIG. 1, fig. 2 and FIG. 3, which shows the structural diagrams of the prototype device (Fig. 1) and the claimed device (Fig. 2) for amplifying analog signals, as well as an illustration of signal diagrams (Fig. 3), explaining the features of the proposed technical solution with discrete control of the input signal level and step change in power supply voltage, including in conditions of direct power supply from changing voltage of the object network in high power mode (dotted lines). FIG. 3 the following designations are adopted:
u - выходной сигнал буферного усилителя 1 с цифровым управлением при постоянном входном сигнале;u is the output signal of the
S - значение кода, поступающего на цифровой вход буферного усилителя 1 с цифрового выхода преобразователя 10 кода, соответствующее коду шины передачи данных на его входе и цифровому сигналу АЦП 13;S is the value of the code entering the digital input of the
Sвх - значение кода от шины передачи данных;S in - the value of the code from the data transfer bus;
Е - напряжение электропитания первого и второго ключевого УМ 3 и ключевого УМ 4;E - power supply voltage of the first and
Е0 - номинальное напряжение электропитания сети объекта;E 0 - nominal voltage of the power supply network of the object;
U - выходное напряжение сумматора 6 на шине выходного сигнала;U is the output voltage of the
V0, V1, V2, V3 - команды управления на выходах преобразователя 10 кода.V 0 , V 1 , V 2 , V 3 - control commands at the outputs of the
На временных диаграммах u, S, E / E0, V0 (фиг. 3) пунктирными линиями иллюстрируются плавное изменение сигналов, соответствующие параметрическому регулированию выходного сигнала u буферного усилителя 1 в соответствии с кодом S при изменении напряжения питания Е для максимальной градации мощности (наличие команды V0). Дискретное изменение выходного напряжения U согласно временным диаграммам сигналов реализуется в соответствии с кодом Sвх посредством, например, двухкратного уменьшения коэффициента передачи буферного усилителя 1 для каждой градации мощности. Такое понижение сигнала u соответствует изменению младшего разряда трехразрядного кода Sвх, старшие разряды которого преобразуются в команды V1, V2, V3 управления каналами источника электропитания 7. Для удобства представления взаимной синхронизации сигналов на фиг. 3 нанесена вертикальная сетка, соответствующая изменению кода Sвх. Расширения динамического диапазона усиления в предлагаемом устройстве подтверждается введением маштабирования М10:1 на фиг. 1 при иллюстрации сигнала U малого уровня мощности.On the timing diagrams u, S, E / E 0 , V 0 (Fig. 3), the dashed lines illustrate the smooth change of signals corresponding to the parametric regulation of the output signal u of the
Предлагаемое устройство усиления аналоговых сигналов (фиг. 2) содержит буферный усилитель 1 (БУ), двухканальная схема 2 (ДС) на основе двухканальный широтно-импульсный модулятор, первый и второй ключевые усилители мощности 3 и 4 (УМ), первый и второй фильтры 5 и 8 нижних частот (ФНЧ), сумматор 6 (СМ), источник электропитания 7 (ИП) с каналами электропитания 7.1-7.n (КЭП), диодный сумматор 9 (ДСМ), преобразователя 10 кода (ПрК). Дополнительно предлагаемое устройство может содержать ключевую схему 11 (КС), датчик напряжения 12 (ДН) и аналогово-цифровой преобразователь 13 (АЦП).The proposed device for amplifying analog signals (Fig. 2) contains a buffer amplifier 1 (BU), a two-channel circuit 2 (DS) based on a two-channel pulse-width modulator, the first and second
В состав предлагаемого устройства усиления аналоговых сигналов входят блоки, выполняемые по известным правилам в соответствии с заявляемыми особенностями реализации, причем их совокупное применение обеспечивает достижение технического результата.The structure of the proposed device for amplifying analog signals includes blocks executed according to known rules in accordance with the claimed implementation features, and their combined application ensures the achievement of a technical result.
Буферный усилитель 1 предназначен для предварительного усиления входного сигнала и его масштабирования в соответствии с кодом S (фиг. 3). Буферный усилитель 1 может быть выполнен на операционном усилителе с цифровым управлением, обеспечивающим пропорциональное изменение коэффициента передачи от величины цифрового кода. В частности буферный усилитель такого типа реализуется на цифровом потенциометре AD5290YRMZ10 и операционном усилителе 1432УД25БУ.
Двухканальный широтно-импульсный модулятор 2 должен обеспечивать преобразование выходного сигнала буферного усилителя 1 в две широтно-модулированные импульсные последовательности с частотой переключений f, сдвинутые относительно друг друга на полупериод переключений и может быть выполнен по известным правилам [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь. 1980., с. 207],The two-channel pulse-
Частота f выбирается значительно (в 10 раз) выше верхней частоты F усиливаемого сигнала. При этом частота изменения суммарного импульсного сигнала вдвое превосходит частоту переключений f, а малому уровню входного сигнала соответствуют импульсы малой длительности, что минимизирует влияние ВЧ составляющих на динамический диапазон усиления и облегчает выделение полезных низкочастотных составляющих модулированного импульсного напряжения на нагрузке.The frequency f is chosen significantly (10 times) higher than the upper frequency F of the amplified signal. In this case, the frequency of change of the total pulse signal is twice the switching frequency f, and pulses of short duration correspond to a small level of the input signal, which minimizes the effect of high-frequency components on the dynamic range of amplification and facilitates the separation of useful low-frequency components of the modulated pulse voltage at the load.
Ключевые усилители мощности 3 и 4 составляют двухканальную схему ключевого усиления, например, выполненную в соответствии с известным техническим решением [Патент РФ №2188498 «Двухканальный усилитель класса D», опубл. 27.08.2002] предназначенную для высокоэффективного усиления широтно-модулированных импульсных сигналов с минимальным искажением амплитуды и длительности. Оконечные каскады ключевого УМ могут быть выполнены на полевых транзисторах с собственными обратными диодами, включенными в полу-мостовые или мостовые схемы. При этом собственное сопротивление ключевого УМ определяется весьма малым внутренним сопротивлением открытых транзисторов, не связанных с остаточными напряжениями диодной проводимости. Для ключевого УМ большого уровня мощности можно рекомендовать применение полевых транзисторов, выполненных на основе SiC технологии, обеспечивающих минимизацию потерь энергии и искажений выходного сигнала. Низкочастотные составляющие Vн суммарного напряжения V таких усилителей с большой степенью точности могут быть определены выражением:
где Kшим - коэффициент передачи широтно-импульсной модуляции (ШИМ);where K PWM - transfer coefficient of the pulse width modulation (PWM);
KБУ - коэффициент передачи буферного усилителя;K BU - transfer coefficient of the buffer amplifier;
u0(t) - сигнал на входной шине устройства;u 0 (t) - signal on the input bus of the device;
Е - напряжение электропитания ключевого УМ;E is the power supply voltage of the key PA;
uM - максимальная амплитуда входного сигнала, соответствующая максимальной модуляции Kшим при максимальном значении KБУ.u M - the maximum amplitude of the input signal corresponding to the maximum modulation K PWM at the maximum value of K BU .
Фильтры 5, 8 нижних частот должны обеспечивать ограничение ВЧ составляющих выходных токов ключевого УМ и выделение на выходе сумматора 6 полезных низкочастотных составляющих выходного напряжения U в условиях минимизации проникновения ВЧ продуктов импульсного преобразования.Low-
Как правило, такие фильтры выполняются на LC-ФНЧ второго порядка и обязательно имеют индуктивный вход, подключенный к выходу ключевого УМ [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь. 1980., с. 207],As a rule, such filters are performed on a second-order LC-low-pass filter and must have an inductive input connected to the output of the key PA [Artym A.D. Class D amplifiers and key generators for radio communication and broadcasting. M .: Communication. 1980., p. 207],
В предлагаемом устройстве в составе ФНЧ достаточно использования только дросселя при включении емкости фильтра на выходе сумматора 6. Частота среза такого результирующего фильтра может быть выбрана в 2-3 раза выше верхней частоты усиливаемых сигналов, что обеспечивает высокую равномерность АЧХ выходного напряжения в полосе рабочих частот в условиях кратного изменения импеданса нагрузки. При этом достигается также достаточное подавление ближайших ВЧ составляющих не менее чем на 30 дБ, что при двухканальной ШИМ гарантирует динамический диапазон усиления не менее чем (40-50) дБ.In the proposed device as part of the low-pass filter, it is sufficient to use only a choke when the filter capacitance is turned on at the output of the
Сумматор 6 должен обеспечивать формирование результирующего низкочастотного напряжения на выходной шине устройства. Для согласования с нагрузкой и использования потенциала двухканальной модуляции целесообразно использовать последовательное трансформаторное сложение [Патент РФ №2188498 «Двухканальный усилитель класса D», опубл. 27.08.2002], что достигается реализацией сумматора 6 на двух выходных трансформаторах с последовательным включением вторичных обмоток.The
Источник 7 электропитания в заявляемом устройстве должен содержать ряд каналов 7.1…7.n, уровень выходных напряжений которых E1…En должен обеспечивать соответствующее изменение ступеней напряжения Е электропитания ключевого УМ. Для реализации предложенного технического решения относительное изменение ступеней напряжения Е выбирается исходя из требуемых градаций выходной мощности при величине ступени (10-16) дБ. Соответственно уровни мощности отдельных каналов отличаются более чем в 10 раз и основная энергетическая нагрузка остается на первом канале источника электропитания. Отдельные каналы 7.1…7.n включаются по сигналам управления, поступающим с соответствующих выходов преобразователя 10 кода, формируемых исходя из величины входного кода Sвх шины передачи данных.The
Диодный сумматор 9 обеспечивает передачу большего из входных напряжений, поступающих с выходов каналов источника 7 электропитания на выводы электропитания ключевого УМ 3 и 4. При этом выходные цепи отключенных каналов высокого напряжения через диодную развязку не препятствуют прохождению более низких напряжений включенных каналов.
Преобразователь 10 кода относится к наиболее сложным цифровым узлам предлагаемого устройства усиления аналоговых сигналов, обеспечивающих формирование команд управления включением каналов источника 7 электропитания и цифрового кода управления коэффициентом передачи буферного усилителя. Такой цифровой узел может быть реализован на контроллере общего применения, например типа 1986 ВЕ1Т с необходимой периферией.The
В простейшем случае в структуру входного кода Sвх могут входить разовые команды включения каналов источника 7 питания, которые транслируются преобразователем 10 кода на входы управления каналов 7.1…7.n. На практике для обеспечения динамического диапазона 70 дБ, включая дискретное изменение мощности тремя ступенями по 10 дБ с промежуточным изменением уровня усиливаемого сигнала на каждой градации мощности, требуется только трехразрядный двоичный код Sвх шины передачи данных. При этом только один разряд поступает на цифровой вход буферного усилителя 1. Старшие разряды кода Sвх используются для выделения команд управления каналами источника 7 питания V1, V2, V3 с соответствующих выходов преобразователя 10 кода. Как показано на фиг. 3, в этом случае для каждой градации напряжения питания может быть предусмотрено двух кратное понижение напряжения на выходе буферного усилителя 1.In the simplest case, the structure of the input code S in can include one-time commands to turn on the channels of the
Более сложный алгоритм цифрового управления коэффициентом передачи буферного усилителя 1 должен быть реализован для стабилизации выходного напряжения устройства усиления аналоговых сигналов в условиях изменения напряжения электропитания. Такой алгоритм реализуется при использовании дополнительных признаков предлагаемого технического решения для обеспечения электропитания верхней градации мощности непосредственно от сети объекта. В этом случае может иметь место практически двукратное превышение напряжения электропитания Е от установленного номинального значения Е0. Соответственно для компенсации такого изменения Е с достаточной точностью 10% необходимо уменьшение коэффициента передачи буферного усилителя при использовании четырехразрядного кода управления. Для формирования кода цифрового выхода преобразователя 10 кода в этих условиях осуществляется с использованием выходного сигнала АЦП 13, вход которого через датчик напряжения соединен с шиной электропитания.A more complex algorithm for digital control of the gain of the
При использовании дополнительных признаков Подключение напряжения объектовой сети к выводам электропитания ключевого УМ 3 и 4 может быть осуществлено при включении ключевой схемы 11 по команде V0, формируемойWhen using additional signs, the connection of the object network voltage to the power supply terminals of the
преобразователем кода для верхней градации мощности. Ключевая схема 11 может быть реализована на полевом транзисторе с драйвером управления, рассчитанными на максимальные значения напряжения объектовой сети и тока потребления.a code converter for the upper power gradation. The
Датчик 12 напряжения должен обеспечивать формирование контрольного сигнала с гальванической развязкой пропорционального напряжению шины электропитания. Датчик может быть выполнен на линейном устройстве с оптоэлектронной либо трансформаторной развязкой.The voltage sensor 12 must provide a control signal with galvanic isolation proportional to the voltage of the power supply bus. The sensor can be made on a linear device with optoelectronic or transformer decoupling.
АЦП 11 должен обеспечивать формирование цифрового кода SE, пропорционального уровню контрольного сигнала с выхода датчика 12 необходимой разрядности для обеспечения требуемой точности компенсации изменения напряжения электропитания соответствующей цифровой регулировкой коэффициента передачи буферного усилителя 1.
Предлагаемое устройство усиления аналоговых сигналов работает следующим образом.The proposed device for amplifying analog signals operates as follows.
С шины входного сигнала на вход буферного усилителя 1 поступает сигнал с качеством, достаточным для обеспечения требуемого динамического диапазона (не менее 30 дБ) на каждой градации мощности. Вместе с тем, с шины передачи данных на вход преобразователя 10 кода поступает код установленной градации мощности, который преобразуется в команды включения каналов источника 7 питания. Для первой градации мощности все команды на выходы преобразователя 10 кода (V1, V2, V3) устанавливаются на высокий уровень, соответствующий включению каналов (фиг. 3). При этом через диодный сумматор приходит напряжение E1, соответствующее первой градации мощности. Для перехода на следующую ступень электропитания в соответствии с входным кодом Sвх, команда V1 устанавливается в низкий уровень, канал 7.1 отключается и на выходе диодного сумматора формируется напряжение Е2, соответствующее работе канала 7.2 и далее до последней ступени, включенной постоянно.From the bus of the input signal to the input of the
На каждой установленной степени электропитания устройство усиления обеспечивает высокое качество усиления сигналов в динамическом диапазоне не менее 40 дБ, соответствующее типовым характеристикам усилителей класса D на быстродействующих полевых транзисторах. При этом нелинейные искажения не превышают 1% в динамическом диапазоне 30 дБ и несколько возрастают (до 3%) в нижней части динамического диапазона.At each set power supply, the amplification device provides high quality signal amplification in a dynamic range of at least 40 dB, corresponding to the typical characteristics of class D amplifiers based on high-speed field-effect transistors. In this case, nonlinear distortion does not exceed 1% in the dynamic range of 30 dB and slightly increase (up to 3%) in the lower part of the dynamic range.
В ряде случаев, например, для устройств усиления сигналов необходима генерация сигнала в динамическом диапазоне не более 30 дБ с промежуточными изменениями градации выходной мощности на каждой ступени электропитания. При этом в соответствии с младшими разрядами входного кода Sвх в устройстве предусмотрена возможность дискретного уменьшения уровня выходного сигнала буферного усилителя, например за счет двух-кратного понижения коэффициента усиления, при сохранении его качественных характеристик в более широком динамическом диапазоне (фиг. 3), так как в этом случае достигается уменьшение выходного сигнала U при уменьшении u сигнала W на выходе буферного усилителя без изменения уровня и качества сигнала u0(t) на входной шине устройства.In some cases, for example, for signal amplification devices, it is necessary to generate a signal in a dynamic range of no more than 30 dB with intermediate changes in the output power gradation at each power supply stage. Thus, in accordance with the LSBs of input code S Rin in the device provided the opportunity discrete reduce the output level of the buffer amplifier, for example due to two-fold decrease the gain, while maintaining its quality characteristics in a wide dynamic range (FIG. 3), so how in this case a decrease in the output signal U is achieved with a decrease in u of the signal W at the output of the buffer amplifier without changing the level and quality of the signal u 0 (t) on the input bus of the device.
С учетом ступенчатого изменения напряжения электропитания динамический диапазон предлагаемого устройства может быть расширен не менее чем на 70 дБ. При этом на каждой градации мощности сохраняется высокое качество выходного напряжения в условиях обеспечения равномерности АЧХ в том числе при изменяющейся комплексной нагрузке. Полученный результат связан с уменьшением искажений на малых градациях мощности практически пропорционально с понижением напряжения электропитания. Причем такой результат обеспечивается в условиях высокоэффективной работы ключевых усилителей мощности, относительные потери энергии в которых не превышают 10% от полной выходной мощности на каждой ступени электропитания, что значительно меньше чем в устройстве-прототипе.Taking into account the stepwise change in the power supply voltage, the dynamic range of the proposed device can be expanded by at least 70 dB. At the same time, at each power gradation, the high quality of the output voltage is maintained under the conditions of ensuring the uniformity of the frequency response, including with a changing complex load. The result obtained is associated with a decrease in distortion at low power grades, almost in proportion to a decrease in the power supply voltage. Moreover, this result is ensured under the conditions of highly efficient operation of key power amplifiers, the relative energy losses in which do not exceed 10% of the total output power at each power stage, which is much less than in the prototype device.
Здесь необходимо отметить, что использование стабилизированных источников питания связано с дополнительными потерями энергии, как в предлагаемом устройстве, так и в устройстве-прототипе. Такие потери даже при использовании высокоэффективных ключевых преобразователей также достигают 10%. В результате предлагаемое техническое решение позволяет сохранить потери энергии и, собственно, тепловыделение до уровня менее 20% от максимальной выходной мощности при высоком качестве выходного напряжения, что соответствует более чем двух кратному повышению энергетической эффективности по сравнению с устройство-прототипом.It should be noted here that the use of stabilized power sources is associated with additional energy losses, both in the proposed device and in the prototype device. Such losses even when using highly efficient key converters also reach 10%. As a result, the proposed technical solution allows you to save energy losses and, in fact, heat release to a level of less than 20% of the maximum output power with a high quality of the output voltage, which corresponds to a more than two-fold increase in energy efficiency compared to the prototype device.
Однако, при повышении уровня выходной мощности достигнутого уровня эффективности недостаточно для обеспечения весьма жестких требований к массогабаритным показателям и тепловыделению усилительной аппаратуры. В этих условиях целесообразно применить АЦП 13, датчик напряжения 12 и ключевую схему 11 как дополнительные признаки настоящего изобретения. Здесь основным предложением является обеспечение электропитания ключевого УМ 3 и 4 для верхней границы градации мощности непосредственно от напряжения объектовой сети, в качестве которой может быть использована аккумуляторная батарея напряжением (175-320) В с возможным кратковременным повышением до (350-400) В. Для этого в предлагаемом устройстве используется ключевая схема 11, которая через диодный сумматор обеспечивает подключение напряжения Е с шины электропитания к выводам электропитания ключевого УМ 3 и 4. В этом случае стабилизация уровня выходного сигнала при нестабилизированном напряжении электропитания обеспечивается соответствующим изменением коэффициента передачи буферного усилителя 1 обратно пропорционально коду, формируемому АЦП 13 по сигналу с выхода датчика 12 напряжения. Достоинством такого варианта электропитания является минимизация потерь энергии в источнике 7 электропитания при относительных потерях в цепях передачи напряжения не более 1%. Тем самым в наиболее энергетически напряженном режиме для верхней градации мощности потери энергии в предлагаемом устройстве сокращаются практически вдвое, что соответствует результирующему выигрышу по сравнению с устройством-прототипом в 4 раза. Следует отметить, что введение дополнительной ступени высокого напряжения электропитания не сказывается на работу при пониженных градациях мощности, так как при отключении ключевого устройства 11 диодный сумматор обеспечивает прохождение напряжений каналов 7.1…7.n в штатном режиме.However, with an increase in the level of output power, the achieved level of efficiency is not enough to meet very stringent requirements for weight and size indicators and heat dissipation of the amplifying equipment. Under these conditions, it is advisable to use an ADC 13, a voltage sensor 12 and a
Однако в этом случае необходима реализация дополнительных мер по стабилизации выходного напряжения в условиях изменения напряжения электропитания.However, in this case, it is necessary to implement additional measures to stabilize the output voltage under conditions of changing power supply voltage.
При этом работа предлагаемого устройства на верхней градации мощности обеспечивается следующим образом. Включение ключевой схемы 11 осуществляется по команде V0, поступающей с дополнительного выхода преобразователя 10 кода в соответствии с кодом Sвх, соответствующим верхней градации выходной мощности. Одновременно преобразователь 10 кода обеспечивает считывание цифрового сигнала, поступающего на его дополнительный вход с выхода АЦП 13, код которого пропорционален напряжению шины электропитания. В результате на цифровом входе буферного усилителя 1 формируется код S обратно пропорциональный величине напряжения Е (фиг. 3 - пунктирные линии), что приводит к соответствующему изменению коэффициента передачи буферного усилителя 1. Таким образом, выражение (2) приводится к следующему виду.In this case, the operation of the proposed device at the upper power gradation is provided as follows. Turning on the
При условии обеспечивается полная компенсация изменения напряжения электропитания и постоянство номинального выходного напряжения на верхней градации мощности.Given that full compensation of power supply voltage changes and constancy of the rated output voltage at the upper power gradation is ensured.
Тем самым, предложенные дополнительные меры позволяют существенно повысить энергетическую эффективность заявляемого устройства усиления аналоговых сигналов большой мощности без ухудшения показателей качества, таких как динамический диапазон усиления, стабильность и равномерность АЧХ.Thus, the proposed additional measures can significantly increase the energy efficiency of the proposed device for amplifying analog signals of high power without deteriorating quality indicators, such as the dynamic range of amplification, stability and uniformity of frequency response.
Соответственно совокупное использование отличительных признаков заявляемого технического решения по сравнению с устройством-прототипом и известными техническими аналогами, содержащими звенья линейного усиления, обеспечивает уменьшение потерь энергии в 2-4 раза при работе на изменяющуюся комплексную нагрузку в условиях существенного улучшения равномерности АЧХ выходного напряжения. В свою очередь, по сравнению с известными ключевыми усилителями мощности предлагаемое устройство обладает расширенным более чем на (20-30) дБ динамическим диапазоном усиления при уменьшении нелинейных искажений малого уровня выходных сигналов.Accordingly, the combined use of the distinctive features of the proposed technical solution in comparison with the prototype device and known technical analogs containing linear amplification links provides a 2-4 times decrease in energy losses when operating on a changing complex load under conditions of a significant improvement in the uniformity of the output voltage frequency response. In turn, in comparison with the known key power amplifiers, the proposed device has a dynamic range of amplification extended by more than (20-30) dB while reducing nonlinear distortions of a low level of output signals.
На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы устройств усиления аналоговых сигналов для режимов низкочастотной гидросвязи, результаты испытаний которых подтвердили достижение заявляемого технического результата в условиях максимальной выходной мощности до 10 кВА. Предложено принять изобретение к внедрению для ряда приоритетных разработок для заказов ВМФ России.The enterprise has developed and manufactured prototypes of analog signal amplification devices for low-frequency hydraulic communication modes, the test results of which confirmed the achievement of the claimed technical result under conditions of maximum output power up to 10 kVA. It is proposed to accept the invention for implementation for a number of priority developments for orders of the Russian Navy.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020129268A RU2749015C1 (en) | 2020-09-03 | 2020-09-03 | Analog signal amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020129268A RU2749015C1 (en) | 2020-09-03 | 2020-09-03 | Analog signal amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2749015C1 true RU2749015C1 (en) | 2021-06-03 |
Family
ID=76301437
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020129268A RU2749015C1 (en) | 2020-09-03 | 2020-09-03 | Analog signal amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2749015C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795793C1 (en) * | 2022-08-31 | 2023-05-11 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Class d amplifier with parametric control |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1131022A1 (en) * | 1983-07-11 | 1984-12-23 | Предприятие П/Я В-2962 | Class d amplifier |
SU1153851A3 (en) * | 1979-08-09 | 1985-04-30 | Пательхольд Патентфервальтунгс-Унд Электрохольдинг Аг (Фирма) | Low-frequency power amplifier |
US5023566A (en) * | 1989-12-21 | 1991-06-11 | General Electric Company | Driver for a high efficiency, high frequency Class-D power amplifier |
RU2281607C2 (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-10 | Гарри Романович Аванесян | Method and hybrid amplifier for amplifying digital signals |
US20110148521A1 (en) * | 2009-12-23 | 2011-06-23 | Rockford Corporation | Dynamic constant power amplifier |
RU2514928C2 (en) * | 2012-07-17 | 2014-05-10 | ООО "Градиент МРТ" | High-efficiency high-power analogue signal precision amplifier |
RU2526280C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-08-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Abd hydroacoustic amplifier |
RU151266U1 (en) * | 2014-05-27 | 2015-03-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | KEY POWER AMPLIFIER |
RU2716041C1 (en) * | 2018-10-30 | 2020-03-05 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Module of high-voltage key amplifier |
-
2020
- 2020-09-03 RU RU2020129268A patent/RU2749015C1/en active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1153851A3 (en) * | 1979-08-09 | 1985-04-30 | Пательхольд Патентфервальтунгс-Унд Электрохольдинг Аг (Фирма) | Low-frequency power amplifier |
SU1131022A1 (en) * | 1983-07-11 | 1984-12-23 | Предприятие П/Я В-2962 | Class d amplifier |
US5023566A (en) * | 1989-12-21 | 1991-06-11 | General Electric Company | Driver for a high efficiency, high frequency Class-D power amplifier |
RU2281607C2 (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-10 | Гарри Романович Аванесян | Method and hybrid amplifier for amplifying digital signals |
US20110148521A1 (en) * | 2009-12-23 | 2011-06-23 | Rockford Corporation | Dynamic constant power amplifier |
RU2514928C2 (en) * | 2012-07-17 | 2014-05-10 | ООО "Градиент МРТ" | High-efficiency high-power analogue signal precision amplifier |
RU2526280C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-08-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Abd hydroacoustic amplifier |
RU151266U1 (en) * | 2014-05-27 | 2015-03-27 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | KEY POWER AMPLIFIER |
RU2716041C1 (en) * | 2018-10-30 | 2020-03-05 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Module of high-voltage key amplifier |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795793C1 (en) * | 2022-08-31 | 2023-05-11 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Class d amplifier with parametric control |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5959499A (en) | Predistortion system and method using analog feedback loop for look-up table training | |
US9088319B2 (en) | RF transmitter architecture, integrated circuit device, wireless communication unit and method therefor | |
US7468632B2 (en) | Power supply rejection for pulse width modulated amplifiers and automatic gain control | |
US20070147541A1 (en) | Transmitter apparatus and wireless communication apparatus | |
CN110679081A (en) | Digital power amplifier employing non-linear magnitude RF-DAC, multi-phase driver and overdrive voltage controlled inherent linearity | |
KR20060021290A (en) | Power control for a transmitter | |
US9813088B2 (en) | Supply modulators with voltage and frequency partitioning | |
JP2009260658A (en) | Power amplifier | |
KR101128485B1 (en) | Envelope tracking power amplifing apparatus using sweet spot tracking | |
EP1456943B1 (en) | Attenuation control for digital power converters | |
RU2749015C1 (en) | Analog signal amplifier | |
JP4707631B2 (en) | Polar modulation transmission apparatus and radio communication apparatus | |
US9369089B2 (en) | Multiple-state, switch-mode power amplifier systems and methods of their operation | |
JP2020156024A (en) | Amplification device | |
RU2726220C1 (en) | Method of multichannel asynchronous pulse-width modulation and device for implementation thereof | |
RU2795793C1 (en) | Class d amplifier with parametric control | |
US8884695B2 (en) | Efficient supply voltage | |
RU2794346C1 (en) | Class d amplifier | |
GB2379109A (en) | A predistorted mobile phone base station transmitter with reduced digital subsystem dynamic range requirements | |
RU2776830C1 (en) | Class h amplifier | |
RU2777046C1 (en) | Class g amplifier | |
EA025998B1 (en) | Acoustic digital-to-analogue converter (embodiments) | |
KR100469408B1 (en) | Apparatus and method for linearly amplifying power in cdma system | |
JPS6162213A (en) | Amplitude modulation high frequency power amplifier | |
RU126235U1 (en) | DOUBLE OPERATION POWER AMPLIFIER |