RU2777046C1 - Class g amplifier - Google Patents
Class g amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777046C1 RU2777046C1 RU2021119720A RU2021119720A RU2777046C1 RU 2777046 C1 RU2777046 C1 RU 2777046C1 RU 2021119720 A RU2021119720 A RU 2021119720A RU 2021119720 A RU2021119720 A RU 2021119720A RU 2777046 C1 RU2777046 C1 RU 2777046C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- output
- class
- power supply
- circuit
- Prior art date
Links
- 239000010755 BS 2869 Class G Substances 0.000 claims abstract description 21
- 241001442055 Vipera berus Species 0.000 claims description 16
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 15
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 7
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 7
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 3
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 3
- 239000010752 BS 2869 Class D Substances 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative Effects 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 230000001702 transmitter Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в акустических и гидроакустических широкополосных усилителях мощности.The invention relates to the field of amplifying and generator technology and can be used in acoustic and hydroacoustic broadband power amplifiers.
Известны технические решения устройств усиления аналоговых сигналов [Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей М.: Радио и связь 1988, 240 с], основанные на способах линейного усиления транзисторными оконечными каскадами класса АВ.Known technical solutions for amplifying analog signals [Kibakin V.M. Fundamentals of the theory and calculation of transistor low-frequency amplifiers M .: Radio and communication 1988, 240 s], based on the methods of linear amplification by transistor end stages of class AB.
Наряду с известными преимуществами, такими, как низкие нелинейные искажения (менее 0,2%) и широкий динамический диапазон (более 60 дБ), такие усилители характеризуются низкой энергетической эффективностью. При работе на согласованную активную нагрузку КПД усилителей такого класса не превышает 75% при относительных потерях энергии не менее 30%. Причем потери энергии, отнесенные к полной выходной мощности усилителя класса АВ, возрастают с уменьшением коэффициента активной мощности нагрузки cos ϕн (где ϕн - фазовый сдвиг между током и напряжением выходного сигнала усилителя). Для малых значений cos φн = 0,1-0,3 потери энергии могут быть соизмеримы с номинальной выходной мощностью усилителя. Мощность тепловыделения линейного усилителя pТ в наиболее эффективном режиме класса В при работе на комплексную нагрузку (Статья Александров В.А., Казаков Ю.В., Маркова Л.В., Чупров О.А. Усилительные устройства для исследования гидроакустических излучателей. Датчики системы №1/ 2019 (67) с. 50-55) определяется выражением:Along with well-known advantages, such as low non-linear distortion (less than 0.2%) and a wide dynamic range (more than 60 dB), such amplifiers are characterized by low energy efficiency. When operating on a matched active load, the efficiency of amplifiers of this class does not exceed 75% with a relative energy loss of at least 30%. Moreover, the energy losses related to the total output power of the class AB amplifier increase with a decrease in the load active power factor cos ϕ n (where ϕ n is the phase shift between the current and voltage of the amplifier output signal). For small values of cos φ n = 0.1-0.3, the energy loss can be commensurate with the rated output power of the amplifier. Heat dissipation power of a linear amplifier p T in the most efficient mode of class B when operating on a complex load (Article Alexandrov V.A., Kazakov Yu.V., Markova L.V., Chuprov O.A. Amplifying devices for the study of hydroacoustic emitters. Sensors system No. 1/ 2019 (67) pp. 50-55) is determined by the expression:
где cos φн = Zн/Rн - при параллельной схеме замещения нагрузки;where cos φ n \u003d Z n / R n - with a parallel load equivalent circuit;
PZ max = (Uн max)2 /Zн P Z max \u003d (U n max ) 2 / Z n
где PZ max - максимальная выходная мощность усилителя при максимальном выходном напряжении для относительной амплитуды сигнала m=1,where P Z max is the maximum output power of the amplifier at the maximum output voltage for the relative signal amplitude m=1,
Uн max - максимальное выходное напряжение усилителя,U n max - the maximum output voltage of the amplifier,
Zн - импеданс нагрузки.Z n - load impedance.
Приведенное соотношение подтверждает значительный относительный уровень потерь энергии в линейном усилителе мощности, особенно при работе на комплексную нагрузку. Выделенные обстоятельства препятствуют внедрению высококачественных усилителей класса АВ в передающую аппаратуру гидросвязи, обеспечивающей возбуждение гидроакустических преобразователей (ГАП) сложными широкополосными сигналами. Также преобразователи выполняются преимущественно на пьезоактивных материалах с выраженной емкостной составляющей проводимости с коэффициентом активной мощности не более 0,1…0,5 в полосе рабочих частот 1…2 октавы.The above ratio confirms the significant relative level of energy losses in a linear power amplifier, especially when operating on a complex load. The identified circumstances prevent the introduction of high-quality class AB amplifiers into hydrocommunication transmission equipment, which provides excitation of hydroacoustic transducers (HAP) with complex broadband signals. Also, the transducers are made mainly on piezoactive materials with a pronounced capacitive component of conductivity with an active power factor of not more than 0.1 ... 0.5 in the operating frequency band of 1 ... 2 octaves.
С энергетической точки зрения, в гидроакустических широкополосных усилителях мощности предпочтительно применение способа ключевого усиления на основе широтно-импульсной модуляции, реализованного в усилителях класса D (Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы радиосвязи и радиовещания. М.: Связь, 1980, с. 207). Усилители низкой частоты (УНЧ), реализующие способ ключевого усиления, основаны на импульсной передаче энергии через дроссель фильтра в нагрузку и обратной рекуперации из емкости нагрузки в емкость источника электропитания. При этом потери в полупроводниковых приборах и элементах фильтра весьма малы и, как правило, не превышают 10% от полной выходной мощности. Вместе с тем нелинейность импульсного преобразования и неидеальность транзисторов и диодов в ключевом режиме обуславливают значительные нелинейные искажения (более 1-3%) и ограничение динамического диапазона (менее 40 дБ). В результате выделенные факторы, связанные с ухудшением показателей качества выходных сигналов, ограничивают возможности генерирования сложных сигналов для возбуждения широкополосных ГАП, что не соответствует современным требованиям передачи цифровых сообщений по гидроакустическому каналу. Соответственно новые задачи обеспечения режимов гидросвязи заставляют разработчиков гидроакустических излучающих трактов обратиться к методам линейного усиления с элементами ключевого управления напряжением электропитания линейных усилителей для уменьшения потерь энергии.From an energy point of view, in hydroacoustic broadband power amplifiers, it is preferable to use the key amplification method based on pulse-width modulation, implemented in class D amplifiers (Artym A.D. Class D amplifiers and key generators of radio communications and broadcasting. M .: Svyaz, 1980, p. 207). Low-frequency amplifiers (ULF), which implement the key amplification method, are based on pulsed energy transfer through the filter inductor to the load and reverse regeneration from the load capacitance to the power supply capacitance. In this case, losses in semiconductor devices and filter elements are very small and, as a rule, do not exceed 10% of the total output power. At the same time, the non-linearity of the pulse conversion and the non-ideality of transistors and diodes in the key mode cause significant non-linear distortion (more than 1-3%) and dynamic range limitation (less than 40 dB). As a result, the identified factors associated with the deterioration of the quality indicators of the output signals limit the possibility of generating complex signals for excitation of broadband HAPs, which does not meet modern requirements for transmitting digital messages over a hydroacoustic channel. Accordingly, the new tasks of providing hydrocommunication modes force the developers of hydroacoustic radiating paths to turn to linear amplification methods with elements of key control of the power supply voltage of linear amplifiers to reduce energy losses.
Такой способ линейного усиления аналого-дискретными усилителями мощности (Н.Б. Догадин Аналого-дискретные усилители/ Волгоград - СПб.: Перемена, 2003. - 216 с) основан на ступенчатом изменении напряжения для каждой из полуволн усиливаемого сигнала. Усилительные устройства с дискретным изменением напряжения электропитания по принятой классификации относятся к усилителям класса G. Наиболее эффективным является известный усилитель класса G в двухступенчатом варианте исполнения, описанный в патенте US №8072266 (US №8072266 class G amplifier with improved supply rail transition control. Date of patent Dec. 6, 2011). Этот усилитель класса G реализован на основе полумостового усилителя класса АВ, содержащем транзисторы прямой и обратной проводимости, посредством дискретного изменения напряжения электропитания положительной и отрицательной полярности с низкого уровня на высокий при соответствующем изменении контрольных сигналов. Введение ступеней изменения напряжения электропитания высокочастотного усилителя класса АВ, охваченного глубокой обратной связью, позволяет уменьшить потери энергии в усилителе без ухудшения показателей качества выходного сигнала, что выгодно отличает техническое решение по патенту US №8072266 от известных технических аналогов и по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения.This method of linear amplification by analog-discrete power amplifiers (N.B. Dogadin Analog-discrete amplifiers / Volgograd - St. Petersburg: Change, 2003. - 216 s) is based on a step change in voltage for each of the half-waves of the amplified signal. Amplifying devices with a discrete change in the power supply voltage according to the accepted classification belong to class G amplifiers. The most effective is the well-known class G amplifier in a two-stage version, described in US patent No. 8072266 (US No. 8072266 class G amplifier with improved supply rail transition control. Date of patent Dec. 6, 2011). This class G amplifier is based on a class AB half-bridge amplifier containing forward and reverse conduction transistors by discretely changing the positive and negative polarity power supply voltage from low to high with a corresponding change in control signals. The introduction of power supply voltage steps of a class AB high-frequency amplifier covered by deep feedback makes it possible to reduce energy losses in the amplifier without deteriorating the output signal quality, which favorably distinguishes the technical solution according to US patent No. 8072266 from known technical analogues and is the closest in terms of the number of common features analogue of the present invention.
Усилитель класса G - прототип основан на использовании полумостового транзисторного усилителя класса АВ, охваченного обратной связью по выходному напряжению, с дискретным изменением напряжения электропитания положительной и отрицательной полярности с низкого уровня ±Ен на высокий уровень ±Ев при превышении сигналов возбуждения транзисторов прямой, либо обратной проводимости установленного уровня. Его особенностью является одновременное изменение положительного и отрицательного напряжения электропитания, чем достигается электропитание на пониженном, либо повышенном напряжении при соответствующем выходном напряжении усилителя. Введение пониженной ступени электропитания при низком уровне выходного напряжения позволяет уменьшить остаточное напряжение на усилительных приборах и заметно понизить (в два раза при работе на активную нагрузку) потери энергии в режиме номинальной мощности при максимальном напряжении на нагрузке.Class G amplifier - the prototype is based on the use of a class AB half-bridge transistor amplifier covered by output voltage feedback, with a discrete change in the power supply voltage of positive and negative polarity from a low level ±E n to a high level ±E in when the excitation signals of the transistors are direct, or reverse conductivity of the set level. Its feature is the simultaneous change in the positive and negative voltage of the power supply, which achieves power supply at a reduced or increased voltage at the corresponding output voltage of the amplifier. The introduction of a reduced power supply stage at a low output voltage level makes it possible to reduce the residual voltage on amplifying devices and significantly reduce (by half when operating on a resistive load) energy losses in the rated power mode at maximum load voltage.
Усилитель класса G - прототип (патент US №8072266), (фиг. 1) содержит управляемый источник 1 электропитания (УИП 1), драйвер 2 аналогового сигнала, полумостовую схему 3 усилителя класса АВ, схему 4 сравнения с логическим элементом «ИЛИ», цепь 6 отрицательной обратной связи (ООС 6), сумматор 7, нагрузку 8Class G amplifier - prototype (US patent No. 8072266), (Fig. 1) contains a controlled power source 1 (UIP 1), an
Временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия усилителя-прототипа, приведены на фиг. 2. (2 а - выходное напряжение U с границами изменения U1 и U2, соответствующее дискретным изменениям напряжений Е1(ϕ) и Е2(ϕ) положительного и отрицательного электропитания, 2 б) - диаграммы сигналов для активной нагрузки, 2 в) - диаграммы сигналов для емкостной нагрузки).Timing diagrams of signals explaining the principle of operation of the prototype amplifier are shown in Fig. 2. (2 a - output voltage U with limits of change U 1 and U 2 , corresponding to discrete changes in voltages E 1 (ϕ) and E 2 (ϕ) of positive and negative power supply, 2 b) - signal diagrams for active load, 2 c ) - signal diagrams for capacitive load).
Устройство-прототип работает следующим образом. Входной сигнал Uвx поступает на вход сумматора 7, где сравнивается с сигналом отрицательной обратной связи по выходному напряжению U, поступающему на второй вход сумматора с выхода ООС 6. В результате, на вход драйвера 2 аналогового сигнала поступает разностный сигнал с выхода сумматора 7, под воздействием которого формируются сигналы управления U1, U2 транзисторами прямой и обратной проводимости полумостовой схемы 3 с соответствующим смещением уровня для реализации работы усилителя в режиме класса АВ. Сигналы управления U1, U2 транзисторами также передаются на входы схемы сравнения 4, где сравниваются с порогами срабатывания, соответствующими низким уровням напряжения электропитания. При малых уровнях выходного напряжения U сигналы управления ниже порогов срабатывания, что соответствует низким уровням сигналов на входе логического сумматора схемы 4 сравнения. В свою очередь низкое выходное напряжение логического сумматора схемы 4 сравнения соответствует формированию низких напряжений положительной и отрицательной полярности на входах УИП 1. При повышении выходного напряжения один из сигналов управления с выхода драйвера 3 (в соответствии с полярностью выходного напряжения) превышает порог срабатывания, что приводит к формированию высокого уровня на входе и выходе логического сумматора схемы 4 сравнения, и обеспечивает включение высокого напряжения положительной и отрицательной полярности на выходах УИП 1. Следует отметить, что наличие смещений сигналов U1 и U2 в усилителе-прототипе позволяет обеспечить упреждающее переключение высокого и низкого напряжения электропитания (фиг. 2 а).The prototype device works as follows. The input signal U inx is fed to the input of the
Как показано на фиг. 2 б для активной нагрузки такое ступенчатое изменение напряжения электропитания Ε с учетом уровня выходного напряжения позволяет значительно уменьшить остаточное напряжение на проводящих транзисторах полумостовой схемы 3 усилителя класса АВ. При этом ток i совпадает по фазе с выходным напряжением U, чем достигается симметричное изменение остаточных напряжений относительно максимального значения выходного сигнала Umax.As shown in FIG. 2b for an active load, such a step change in the power supply voltage Ε, taking into account the level of the output voltage, can significantly reduce the residual voltage on the conductive transistors of the half-
Однако наличие фазового сдвига ϕн, обусловленного комплексным параметром нагрузки, приводит к резкому увеличению остаточных напряжений U0. Как показано на фиг. 2б, в в для случая емкостной нагрузки (ϕн = π/2) при разной полярности тока i и напряжения U остаточное напряжение на проводящем транзисторе возрастает до уровня [Ев+|U|]=U0, что обуславливает значительное увеличение потерь энергии в усилительном устройстве. Уточнение известных данных [Александров В.А., Майоров В.А., Маркова Л.В. Модули силовой электроники передающих трактов ГАК. Морская радиоэлектроника №2(64) 2018, с. 18-23] позволяет определить относительную мощность тепловыделения усилителя - прототипа при работе на комплексную нагрузку.However, the presence of a phase shift ϕ n , due to the complex load parameter, leads to a sharp increase in residual stresses U 0 . As shown in FIG. 2b, c c for the case of a capacitive load (ϕ n = π/2) with different polarities of current i and voltage U, the residual voltage on the conductive transistor increases to the level [E in +|U|]=U 0 , which causes a significant increase in energy losses in an amplifying device. Clarification of known data [Aleksandrov V.A., Maiorov V.A., Markova L.V. Modules of power electronics of the transmitting paths of the SAC. Marine radio electronics №2(64) 2018, p. 18-23] allows you to determine the relative heat dissipation power of the prototype amplifier when operating on a complex load.
Для высокого уровня выходного напряжения получим:For a high level of output voltage, we get:
где е1 = Ен/Ев - относительный уровень низкого напряжения электропитания;where e 1 \u003d E n / E in - the relative level of low voltage power supply;
ϕ1 = arcsin е1/m - фаза включения высокого напряжения электропитания;ϕ 1 \u003d arcsin e 1 /m - phase of switching on the high voltage of the power supply;
1 > m > е1 - относительная амплитуда сигнала.1 > m > e 1 - relative signal amplitude.
Анализируя влияние диаграммы (фиг. 2 в) остаточного напряжения и выходного тока транзисторов усиления 3, пренебрегая весьма малой зоной совместной проводимости транзисторов, характерной для режима АВ, можно сопоставить известное соотношение (1) для усилителя класса В с выражением (2) для известного усилителя класса G. Можно констатировать, что при работе на комплексную нагрузку выигрыш от использования усилителя - прототипа существенно уменьшается. Причем в наиболее энергоемком режиме m = 1 при работе на емкостную нагрузку для ϕн = π/2 уменьшение относительных потерь энергии не превышает 25%.Analyzing the influence of the diagram (Fig. 2 c) of the residual voltage and output current of
Указанное обстоятельство объясняется отсутствием в усилителе - прототипе рекуперации реактивной энергии из емкости нагрузки в емкость источника питания, а, как следствие, дополнительными потерями, что препятствует применению устройства-прототипа в гидроакустической передающей аппаратуре.This circumstance is explained by the absence in the prototype amplifier of regeneration of reactive energy from the load capacitance to the power source capacitance, and, as a result, additional losses, which prevents the use of the prototype device in hydroacoustic transmitting equipment.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности линейного усилителя мощности класса G при обеспечении использования в составе гидроакустической передающей аппаратуры.The objective of the present invention is to improve the energy efficiency of a class G linear power amplifier while ensuring its use as part of hydroacoustic transmitting equipment.
Для решения поставленной задачи в усилитель класса G, содержащий схему сравнения, драйвер аналоговых сигналов, вход которого соединен с выходом сумматора, а первый и второй выходы соединены с входами управления транзисторов прямой и обратной проводимости в составе полумостовой схемы усилителя класса АВ с дискретным изменением напряжения электропитания положительной и отрицательной полярности транзисторов прямой и обратной проводимости с низкого уровня +Ен и -Ен на высокий уровень +Ев и -Ев при соответствующем изменении выходного напряжения U, при этом выводы положительного и отрицательного электропитания полумостовой схемы усилителя класса АВ подключены к соответствующим выходам электропитания драйвера аналоговых сигналов, а также к выходам положительного и отрицательного напряжения управляемого источника питания, вход которого подключен к шине электропитания, первый вход сумматора соединен с шиной входного сигнала, а второй вход - с выходом цепи отрицательной обратной связи, введены дополнительные признаки, а именно, в его состав введены датчик тока, схема сопряжения, а схема сравнения выполнена четырехканальной, причем управляемый источник питания дополнительно снабжен первым, вторым и третьим, четвертым входами управления, соединенными через схему сопряжения с первым, вторым и третьим, четвертым выходами четырехканальной схемы сравнения, выход полумостовой схемы усилителя класса АВ соединен через датчик тока с входом нагрузки, а выход датчика тока подключен к входу цепи обратной связи, причем при выходном напряжении U > +Ен - ΔΕ,+Ен - ΔΕ > U > -Ен - ΔЕ и U < -Ен - ΔΕ, а напряжение электропитания транзистора обратной проводимости устанавливают на уровне -Ев, -Ен, +ЕН составляет при выходном напряжении U < -Ен + ΔЕ, -Ен + ΔЕ < U < +Ен - ΔЕ и U > +Ен - ΔЕ при этом величина ΔЕ составляет (0,005…0,2) Ен.To solve the problem, in a class G amplifier containing a comparison circuit, an analog signal driver, the input of which is connected to the output of the adder, and the first and second outputs are connected to the control inputs of direct and reverse conduction transistors as part of a half-bridge class AB amplifier circuit with a discrete change in the power supply voltage positive and negative polarity of transistors of direct and reverse conductivity from a low level + E n and -E n to a high level + E in and -E in with a corresponding change in the output voltage U, while the positive and negative power supply outputs of the half-bridge class AB amplifier circuit are connected to to the corresponding power supply outputs of the analog signal driver, as well as to the positive and negative voltage outputs of the controlled power supply, the input of which is connected to the power supply bus, the first input of the adder is connected to the input signal bus, and the second input is connected to the output of the negative feedback circuit, entering there are additional features, namely, it includes a current sensor, an interface circuit, and the comparison circuit is made four-channel, moreover, the controlled power source is additionally equipped with the first, second and third, fourth control inputs connected through the interface circuit with the first, second and third, the fourth output of the four-channel comparison circuit, the output of the half-bridge circuit of the class AB amplifier is connected through a current sensor to the load input, and the output of the current sensor is connected to the input of the feedback circuit, and at the output voltage U > + E n - ΔΕ, + E n - ΔΕ > U > -E n - ΔE and U < -E n - ΔΕ, and the power supply voltage of the reverse conductivity transistor is set at the level -E in , -E n , + E H is at the output voltage U < -E n + ΔE, -E n + ΔЕ < U < +Е n - ΔЕ and U > +Е n - ΔЕ while the value of ΔЕ is (0.005…0.2) Е n .
Технический результат от использования заявленного усилителя класса G заключается в обеспечении рекуперации реактивной энергии из емкости нагрузки через звено линейного усиления в управляемый источник питания при большом уровне выходного напряжения электропитания транзисторов положительной и отрицательной проводимости тремя ступенями +Ев, +Ен, -Ен и -Ев, -Ен, +Ен. причем включение обратной связи по выходному току обеспечивает максимальную глубину компенсации нелинейности амплитудной характеристики линейного усилителя (глубина ООС более 40 дБ) для предотвращения искажений выходного сигнала в циклах прямой и обратной передачи энергии. Соответственно достигается повышение энергетической эффективности в условиях высокого качества сигналов возбуждения гидроакустических преобразователей с выраженной емкостной составляющей проводимости.The technical result from the use of the claimed class G amplifier is to ensure the regeneration of reactive energy from the load capacitance through the linear amplification link to a controlled power source at a high level of the output voltage of the power supply of transistors of positive and negative conductivity in three stages + E in , + E n , -E n and -E in , -E n , + E n . moreover, the inclusion of feedback on the output current provides the maximum depth of compensation for the nonlinearity of the amplitude characteristic of the linear amplifier (the depth of the OOS is more than 40 dB) to prevent distortion of the output signal in the forward and reverse power transmission cycles. Accordingly, an increase in energy efficiency is achieved under conditions of high quality of the excitation signals of hydroacoustic transducers with a pronounced capacitive component of conductivity.
Управляемый источник питания в заявляемом устройстве обеспечивает переключение высокого Ев и низкого Ен напряжений по результату контроля схемой сравнения уровня напряжения U выходного сигнала с учетом заданного смещения ΔЕ. Как иллюстрируется временными диаграммами сигналов (фиг. 5), поясняющими принцип действия заявляемого устройства, для случая U > Ен при весьма малом коэффициенте активной мощности нагрузки cos ϕн = 0…0,2, обеспечивается значительное уменьшение остаточного напряжении U0 по сравнению с диаграммой (фиг. 2.в), характерной для устройства-прототипаThe controlled power supply in the claimed device provides switching of high E in and low E n voltages according to the result of the control circuit for comparing the voltage level U of the output signal, taking into account the specified offset ΔE. As illustrated by the timing diagrams of the signals (Fig. 5), explaining the principle of operation of the proposed device, for the case U > E n at a very low active power factor of the load cos ϕ n = 0 ... 0.2, a significant decrease in the residual voltage U 0 is provided compared to diagram (Fig. 2.c), characteristic of the prototype device
Исключая сегменты потерь энергии в соответствии с диаграммой U0(ϕ), соответствующей использованию предлагаемого устройства (фиг. ), для наиболее энергоемкого режима в условиях m = е1, при ϕн > 2ϕ1 можно получить выражение для оценки относительной мощности тепловыделения.Excluding segments of energy losses in accordance with the diagram U 0 (ϕ), corresponding to the use of the proposed device (Fig. ), for the most energy-intensive mode under the conditions m = e 1 , with ϕ n > 2ϕ 1 , an expression can be obtained for estimating the relative power of heat release.
Сопоставляя выражение (2) и (3) для случая максимальной амплитуды выходного напряжения (m = 1) при работе на емкостную нагрузку (ϕн = π/2) получим относительные значения потерь энергии: для устройства - прототипа 95%, а для предлагаемого устройства 63% от максимальной выходной мощности.Comparing expressions (2) and (3) for the case of the maximum amplitude of the output voltage (m = 1) when operating on a capacitive load (ϕ n = π/2), we obtain the relative values of energy losses: for the prototype device, 95%, and for the proposed device 63% of maximum output power.
Проведенная оценка подтверждает повышение энергетической эффективности гидроакустической передающей аппаратуры при использовании предлагаемого усилителя класса G в условиях сокращения потерь энергии более чем на 30%.The evaluation confirms the increase in the energy efficiency of hydroacoustic transmitting equipment when using the proposed class G amplifier in conditions of reducing energy losses by more than 30%.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5, где на фиг. 1 приведена структурная схема усилителя - прототипа, на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия усилителя-прототипа, на фиг. 3 - структурная схема предлагаемого усилителя, на фиг. 4 - детализации структуры построения управляемого источника питания, схемы сопряжения и схемы сравнения, на фиг. 5 - временные диаграммы сигналов, определяющие принцип действия, заявленного усилителя класса G, при этом на фиг. 5а) - выходное напряжение U с границами изменения U1 и U2, соответствующие дискретным изменениям напряжений E1(ϕ) и E2(ϕ) положительного и отрицательного электропитания усилителя класса АВ, на фиг. 5 б) приведены сигналы V1(ϕ), V2(ϕ), V3(ϕ), V4(ϕ), поступающие на соответствующие входы управляемого источника питания, на фиг. 5 в) представлены положительные и отрицательные напряжения высокого и низкого уровня +Ев, +Ен, -Ен, -Ев, напряжение на нагрузке U и ток нагрузки i, а также остаточное напряжение U0 для различных полуволн тока нагрузки.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-5, where in Fig. 1 shows a block diagram of the prototype amplifier, Fig. 2 - timing diagrams of signals explaining the principle of operation of the prototype amplifier, in Fig. 3 is a block diagram of the proposed amplifier, in Fig. 4 - detailing the structure of building a controlled power source, an interface circuit and a comparison circuit, in FIG. 5 - timing diagrams of signals that determine the principle of operation of the claimed class G amplifier, while in FIG. 5a) - output voltage U with limits of change U 1 and U 2 corresponding to discrete changes in the voltages E 1 (ϕ) and E 2 (ϕ) of the positive and negative power supply of the class AB amplifier, in Fig. 5 b) shows the signals V 1 (ϕ), V 2 (ϕ), V 3 (ϕ), V 4 (ϕ) received at the corresponding inputs of the controlled power source, in Fig. 5 c) shows the positive and negative voltages of the high and low levels + E in , + E n , -E n , -E in , the voltage at the load U and the load current i, as well as the residual voltage U 0 for various half-waves of the load current.
Предлагаемый усилитель класса G (фиг. 3) содержит управляемый источник 1 электропитания, драйвер 2 аналоговых сигналов, полумостовую схему 3 усилителя класса АВ, схему сравнения 4, схему 5 сопряжения, цепь 6 отрицательной обратной связи, сумматор 7, нагрузку 8 (ГАП), датчик 9 тока. Схема сравнения 4 может быть выполнена на операционных усилителях 4.1-4.4 и аттенюаторе 4.5. В свою очередь схема 5 сопряжения выполняется на драйверах импульсных сигналов 5.1-5.4, выходы которых адаптированы к выходам управления УИП 1, а УИП 1 может содержать два диодно-транзисторных коммутатора 1.2, 1.3 и четырехканальный вторичный преобразователь 1.1 напряжения.The proposed class G amplifier (Fig. 3) contains a controlled
Выполнение структурных узлов заявляемого устройства определяется функциональным назначением и соответствует принципу реализуемости по известным правилам.The implementation of the structural nodes of the proposed device is determined by the functionality and corresponds to the principle of realizability according to known rules.
Управляемый источник 1 электропитания должен обеспечивать ступенчатое изменение напряжения электропитания Ε1(ϕ) и Ε2(ϕ) ступенями +Ев, +Ен, -Ен и -Ев, -Ен, +Ен в зависимости от уровня выходного напряжения U (фиг. 5) по командам, поступающим на входы управления от схемы сравнения 4 через схему 5 сопряжения. Принципиальной особенностью функционирования управляемого источника 1 в предлагаемом устройстве является раздельное изменение напряжений электропитания для транзисторов полумостовой схемы усилителя 3, включая и переход к напряжениям обратной полярности. При этом формируются условия к рекуперации энергии из емкостной составляющей нагрузки в емкостные фильтры вторичных напряжений электропитания.The controlled
Управляемый источник 1 электропитания может быть выполнен на многоканальном преобразователе напряжения и двух коммутаторах для формирования трехступенчатых напряжений положительной и отрицательной полярности.Controlled
Структурная схема управляемого источника 1 электропитания представлена на фиг. 4, где также приведена функциональная реализация схемы сравнения 4 и схемы 5 сопряжения.A block diagram of a controlled
Предлагаемый источник 1 электропитания содержит четырехканальный вторичный преобразователь 1.1 напряжения (ВПН 1.1), и два трехканальных коммутатора 1.2 и 1.3 прямой и обратной проводимости. Для реализации ВПН 1.1 могут быть использованы известные схемы многоканальных преобразователей напряжения, например, описанные в патентах (RU 2267218 Трансформатор постоянного напряжения, опубл. 27.12.2005). При ВПН такого типа могут быть сформированы вторичные напряжения заданной номенклатуры различной полярности в условиях наличия значительных емкостных фильтров по каждому отдельному выходу.The proposed
Реализация требуемого алгоритма подключения вторичных напряжений, формируемых ВПН 1.1 в коммутаторах 1.2 и 1.3 положительной и отрицательной проводимости, используются соответственно транзисторы и диоды 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4, 1.2.5 и 1.3.1, 1.3.2, 1.3.3, 1.3.4, 1.3.5 (фиг. 4). Причем для подключения самой низкой ступени электропитания можно использовать только диодную коммутацию, не требующую дополнительного управления.Implementation of the required algorithm for connecting secondary voltages generated by VPN 1.1 in switches 1.2 and 1.3 of positive and negative conductivity, transistors and diodes 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4, 1.2.5 and 1.3.1, 1.3 are used respectively .2, 1.3.3, 1.3.4, 1.3.5 (Fig. 4). Moreover, to connect the lowest stage of power supply, only diode switching can be used, which does not require additional control.
Подключение более высоких ступеней электропитания положительной +Ев, +Ен и отрицательной -Ев, -Ен полярности осуществляется посредством включения соответствующих транзисторов 1.2.2, 1.2.1 и 1.3.2, 1.3.1.Connecting higher power levels of positive +E in , +E n and negative -E in , -E n polarity is carried out by turning on the corresponding transistors 1.2.2, 1.2.1 and 1.3.2, 1.3.1.
Команды управления транзисторами формируются схемой 4 сравнения, в состав которой (фиг. 4) входят аттенюатор 4.5 входного напряжения U и четыре схемы сравнения (операционные усилители) 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, прямые входы которых соединены с выходом аттенюатора, а инверсные подключены к опорным напряжениям +U + Δ, -U + Δ, +U - Δ, -U - Δ, где U = Ен Ka (Ka - коэффициент передачи аттенюатора). Дискриминатор 4 может быть выполнен на типовых компараторах при формировании опорных напряжений с использованием соответствующих резистивных делителей вторичных напряжений электропитания.The transistor control commands are generated by a
Устройство сопряжения 5 служит для передачи выходных сигналов дискриминатора через драйверы на входы управления источника 1 электропитания для включения соответствующих транзисторов в составе коммутаторов 1.2 и 1.3. С учетом различного уровня напряжений электропитания Е(+) и Е(-), драйверы в составе схемы сопряжения могут быть выполнены на микросхемах с плавающей точкой, например IRFS4227PBF.The
Драйвер 2 аналоговых сигналов предназначен для обеспечения линейной работы схемы усилителя 3 класса АВ. В качестве драйвера 2 может быть использован модуль APEX, например, типа РВ63 для напряжения электропитания Ев до 60 В или аналогичный модуль (в том числе используемый в устройстве-прототипе), рассчитанный на требуемое максимальное напряжение электропитания.The
Схема 3 линейного усилителя класса АВ должна содержать полевые, либо биполярные транзисторы различной проводимости, рассчитанные на требуемую выходную мощность и адаптированные к выбранному напряжению электропитания. Возможно применение аналогичного технического решения, примененного в устройстве-прототипе.
Цепь ООС 6 и сумматор 7 обеспечивают формирование разностного сигнала на входе драйвера 2 аналоговых сигналов, исходя из условия поддерживания заданной величины i выходного тока схемы 3, соответствующей величине выходного сигнала U. Цепь ООС может выполняться на резистивном делителе с заданным коэффициентом передачи выходного сигнала датчика 9 тока. Сумматор 7 также может быть в виде схемы резистивного суммирования, либо типового операционного усилителя.The
Нагрузка 8, для случая использования заявляемого технического решения в составе гидроакустической аппаратуры, является гидроакустическим излучателем с явно выраженной емкостной составляющей проводимости. Коэффициент активной мощности такой нагрузки, как правило, не превышает 0,3-0,5 и может понижаться до 0,1-0,2 в расширенном диапазоне частот с полосой до 2-3 октав.
Датчик 9 тока может быть выполнен на трансформаторе тока, либо на микросхеме датчика Холла, например типа FHS40-P/SP600. При этом датчик тока должен формировать гальванически развязанный сигнал - пропорциональный выходному току схемы 3 усилителя класса АВ.The
Выбор обратной связи по выходному току в предлагаемом техническом решении обусловлен возможностью обеспечения максимальной глубины компенсации нелинейных искажений в усилителе класса АВ, особенно при работе на емкостную нагрузку.The choice of output current feedback in the proposed technical solution is due to the possibility of providing the maximum depth of compensation for non-linear distortions in a class AB amplifier, especially when operating on a capacitive load.
Приведенное описание функциональных узлов, входящих в состав предлагаемого устройства, соответствует условиям технической реализуемости, а совокупность их применения обеспечивает достижение технического результата от внедрения заявляемого изобретения.The above description of the functional units included in the proposed device corresponds to the conditions of technical feasibility, and the combination of their application ensures the achievement of a technical result from the implementation of the claimed invention.
Работа заявленного усилителя осуществляется следующим образом.The operation of the claimed amplifier is as follows.
Входной сигнал Uвx поступает на вход сумматора 7, где сравнивается с сигналом обратной связи по выходному току и в виде разностного сигнала Up поступает на вход драйвера 2 аналогового сигнала:The input signal U inx is fed to the input of the
где β - коэффициент передачи цепи 6 ООС;where β is the transmission coefficient of the
- выходной сигнал датчика 9 тока с коэффициентом преобразования - output signal of
Kc - коэффициент передачи сумматора 7.K c - the transfer coefficient of the
Сигнал Up преобразуется драйвером 2 в аналоговые сигналы U1, U2 возбуждения транзисторов прямой и обратной проводимости схемы 3 усилителя класса АВ при соответствующих смещениях, обеспечивающих линейную работу.The signal U p is converted by the
U1=UpKΔ+UcΔ; U2=-UpKΔ - UcΔ,U 1 \u003d U p K Δ +U cΔ ; U 2 \u003d-U p K Δ - U cΔ ,
где ΚΔ, Uc - коэффициент передачи и необходимые смещения выходных сигналов драйвера 2. В соответствии с сигналами возбуждения через транзисторы прямой и обратной проводимости замыкается ток:where Κ Δ , U c - the transfer coefficient and the necessary offsets of the output signals of the
где S [А/В] - крутизна передаточной характеристики транзисторов схемы 3 усилителя класса АВ.where S [A / B] is the slope of the transfer characteristic of transistors of
В результате коэффициент усиления заявленного усилителя запишем в виде:As a result, the gain of the claimed amplifier can be written as:
Глубина обратной связи этого усилителя может быть обеспечена 30-40 дБ без нарушения устойчивости работы, что соответствует условию Соответственно, коэффициент передачи по выходному току соответствует равенству:The feedback depth of this amplifier can be provided by 30-40 dB without violating the stability of the operation, which corresponds to the condition Accordingly, the output current transfer coefficient corresponds to the equation:
где Uвх(ϕ), - текущие значения выходного сигнала и выходного тока, в том числе для гармонического входного сигнала с относительной амплитудой Uвx = m sin ϕ (где m = UвхМ/Мах|UвхМ|).where U in (ϕ), - current values of the output signal and output current, including for a harmonic input signal with relative amplitude U inx = m sin ϕ (where m = U inM /Max|U inM |).
При этом фаза выходного тока совпадает с фазой входного сигнала, а фаза выходного напряжения сдвинута на ϕн (ϕн = 0…- π/2 - для емкостной нагрузки).In this case, the phase of the output current coincides with the phase of the input signal, and the phase of the output voltage is shifted by ϕ n (ϕ n = 0 ... - π/2 - for a capacitive load).
При заданном значении выходного тока схемы 3 усилителя класса АВ, напряжение на нагрузке U определяется ее комплексным импедансом At a given value of the output current class
В зависимости от уровня напряжения U(ϕ) схема 4 сравнения формирует сигналы управления V1, V2, V3, V4 (фиг. 5 б), поступающие через схему сопряжения на входы управления источника 1 электропитания. Высокий уровень Η сигналов управления определяется из условий срабатывания компараторов 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 в составе схемы сравнения 4:Depending on the voltage level U(ϕ), the
где Ka - коэффициент передачи аттенюатора 4.5,where K a - attenuator gain 4.5,
U = Eн⋅Ka, Δ = (0,05…0,2)Ен⋅Ka U = E n ⋅K a , Δ = (0.05…0.2) Е n ⋅K a
При этом обеспечивается включение соответствующих транзисторов VT в составе коммутаторов 1.2, 1.3 прямой и обратной проводимости управляемого источника 1 питания. Причем при выключенных транзисторах коммутаторов 1.2 и 1.3 напряжение на выходах формируется через диоды 1.2.5 и 1.3.5 на уровнях - Ен и +Ен, соответсвенно.This ensures the inclusion of the corresponding transistors VT as part of the switches 1.2, 1.3 direct and reverse conduction of the controlled
В результате описанного алгоритма управления коммутаторами источника 1 питания, определенного предложенным устройством линейного усилителя класса G, на транзисторы прямой и обратной проводимости поступают ступенчато-изменяющиеся напряжения Ε1(ϕ) и Е2(ϕ), приведенные на фиг. 5 а). При этом достигается уменьшение остаточных напряжений U0 (фиг. 5 в) для положительной и отрицательной полуволна тока в условиях обеспечения уровня напряжения электропитания проводящего транзистора, необходимого для его линейной работы.As a result of the described algorithm for controlling the switches of the
Таким образом, реализация предложенного усилителя класса G позволяет исключить сегменты потерь энергии при работе на емкостную нагрузку в условиях высокого качества сигнала возбуждения гидроакустических преобразователей. При работе на нагрузку с весьма малым коэффициентом активной мощности, характерным для широкополосных гидроакустических излучающих антенн, использование настоящего изобретения позволяет уменьшить потери энергии в номинальном режиме работы более чем на 30%, что дает возможность рекомендовать использование заявляемого технического решения в гидроакустических передающих устройствах.Thus, the implementation of the proposed class G amplifier makes it possible to exclude energy loss segments when operating on a capacitive load under conditions of high quality of the hydroacoustic transducer excitation signal. When operating on a load with a very low active power factor, typical for broadband hydroacoustic radiating antennas, the use of the present invention makes it possible to reduce energy losses in the nominal operating mode by more than 30%, which makes it possible to recommend the use of the proposed technical solution in hydroacoustic transmitters.
Предложенное схемотехническое решение усилителя класса G, позволяет существенно повысить характеристики энергетической эффективности при высоком качестве излучаемых гидроакустических сигналов.The proposed circuit solution of the class G amplifier allows to significantly improve the energy efficiency characteristics with high quality of the emitted hydroacoustic signals.
В настоящее время на предприятии разработаны образцы усилителей класса G на основе заявляемого технического решения, проходящие этап экспериментальной апробации, результаты которой подтверждают технический эффект от настоящего изобретения. Относительные потери энергии в номинальном режиме работы не превышают 50%, что вдвое меньше потерь в усилителе класса В и в полтора раза ниже, чем в усилителе класса G, реализованном на основе устройства-прототипа. Выделенные достоинства предлагаемой реализации усилителей мощности позволяют рекомендовать внедрение настоящего изобретения в новых разработках широкополосных излучающих трактов режимов гидросвязи.At present, the enterprise has developed samples of class G amplifiers based on the proposed technical solution, which are undergoing the stage of experimental testing, the results of which confirm the technical effect of the present invention. Relative energy losses in the nominal operating mode do not exceed 50%, which is half the losses in the class B amplifier and one and a half times lower than in the class G amplifier, implemented on the basis of the prototype device. The highlighted advantages of the proposed implementation of power amplifiers make it possible to recommend the implementation of the present invention in new developments of broadband radiating paths for hydrocommunication modes.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2777046C1 true RU2777046C1 (en) | 2022-08-01 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6246283B1 (en) * | 1999-03-09 | 2001-06-12 | Tripath Technology, Inc. | Power efficient line driver |
RU90632U1 (en) * | 2009-07-22 | 2010-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | VOLTAGE AMPLIFIER WITH CONTROLLED POWER SUPPLY |
US7750732B1 (en) * | 2007-12-04 | 2010-07-06 | Fairchild Semiconductor Corporation | Adaptive rail amplifier (ARA) technology |
US8072266B1 (en) * | 2009-05-07 | 2011-12-06 | National Semiconductor Corporation | Class G amplifier with improved supply rail transition control |
RU2526280C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-08-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Abd hydroacoustic amplifier |
RU2716041C1 (en) * | 2018-10-30 | 2020-03-05 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Module of high-voltage key amplifier |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6246283B1 (en) * | 1999-03-09 | 2001-06-12 | Tripath Technology, Inc. | Power efficient line driver |
US7750732B1 (en) * | 2007-12-04 | 2010-07-06 | Fairchild Semiconductor Corporation | Adaptive rail amplifier (ARA) technology |
US8072266B1 (en) * | 2009-05-07 | 2011-12-06 | National Semiconductor Corporation | Class G amplifier with improved supply rail transition control |
RU90632U1 (en) * | 2009-07-22 | 2010-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | VOLTAGE AMPLIFIER WITH CONTROLLED POWER SUPPLY |
RU2526280C1 (en) * | 2013-07-26 | 2014-08-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Abd hydroacoustic amplifier |
RU2716041C1 (en) * | 2018-10-30 | 2020-03-05 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Module of high-voltage key amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102581815B1 (en) | Class d audio amplifier with adjustable gate drive | |
EP2214304B1 (en) | Switch mode assisted linear amplifier for baseband signal amplification | |
CN101512897B (en) | Amplifier employing interleaved signals for PWM ripple suppression | |
DK2845314T3 (en) | CLASS-D AUDIO AMPLIFIER WITH ADJUSTABLE LOOP FILTER FEATURES | |
EP1451926B1 (en) | Power amplifier control | |
US6808494B2 (en) | Transmit circuit for imaging with ultrasound | |
KR102050322B1 (en) | Class-B / C Doherty Power Amplifier | |
US8665025B2 (en) | Push-pull amplification systems and methods | |
KR101500093B1 (en) | System and method for a cascoded amplifier | |
JP2003510874A (en) | Modulated radio signal transmitter with automatic adaptation bias for amplification | |
US6537216B1 (en) | Transmit circuit for imaging with ultrasound | |
KR20170058270A (en) | Outphasing power amplifier signal splitter using next stage input impedance and multiple biasing | |
Zhang et al. | A watt-level phase-interleaved multi-subharmonic switching digital power amplifier | |
RU2777046C1 (en) | Class g amplifier | |
JP5426434B2 (en) | Transceiver module | |
US20150222230A1 (en) | Output power tuning using pulse position and pulse width control in a pulse position, pulse width modulation amplifier | |
US11936340B2 (en) | Dynamically biased power amplification | |
US7965211B1 (en) | High power DAC power amplifier | |
RU2776830C1 (en) | Class h amplifier | |
EP2670101B1 (en) | A method for pulse width modulation of a signal | |
JPWO2011024598A1 (en) | Power amplifier circuit and transmitter and communication device using the same | |
RU2723463C1 (en) | Transmitting path for excitation of hydroacoustic antenna | |
RU2794346C1 (en) | Class d amplifier | |
Javid et al. | A multilevel pulse-width modulated class-e power amplifier | |
RU2749015C1 (en) | Analog signal amplifier |