RU2794346C1 - Class d amplifier - Google Patents
Class d amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2794346C1 RU2794346C1 RU2022123378A RU2022123378A RU2794346C1 RU 2794346 C1 RU2794346 C1 RU 2794346C1 RU 2022123378 A RU2022123378 A RU 2022123378A RU 2022123378 A RU2022123378 A RU 2022123378A RU 2794346 C1 RU2794346 C1 RU 2794346C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- outputs
- amplifier
- inputs
- output
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и звукоподводной связи.The invention relates to the field of amplifying and generator technology and can be used in broadband transmission paths of the audio frequency range for broadcasting and underwater communication.
Известны ключевые усилители мощности (КУМ) [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь. 1987 г.], использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот. Реализация метода ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку, к которой относятся широкополосные гидроакустические излучатели.Known key power amplifiers (KUM) [Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M.: Communication. 1987], using pulse-width modulation (PWM) and providing highly efficient amplification of wideband audio frequency signals. The implementation of the key amplification method favorably distinguishes PWM amplifiers from linear amplifiers from an energy point of view, especially when operating on a complex load, which includes broadband hydroacoustic emitters.
Для усиления знакопеременных низкочастотных (НЧ) сигналов, как правило, используются усилители класса ABD, выполненные по одноканальной схеме с полумостовыми оконечными каскадами КУМ [Артым А.Д. …]. Такие устройства содержат широтно-импульсный преобразователь (ШИП), ключевой усилитель мощности и фильтр нижних частот (ФНЧ), выполненный на дросселе и конденсаторе, включенном параллельно нагрузке. Принцип действия одноканального усилителя класса ABD основан на преобразовании аналогового сигнала в последовательность широтно-модулированных импульсов с частотой переключений ƒ0 значительно (в 20-30 раз) выше верхней частоты усиливаемого сигнала, ключевом усилении по мощности с формированием знакопеременного импульсного напряжения (с уровнем +Е и -Е, где Е - амплитуда импульсного напряжения) и выделении на выходе ФНЧ полезных низкочастотных составляющих напряжения возбуждения нагрузки.To amplify alternating low-frequency (LF) signals, as a rule, amplifiers of the ABD class are used, made according to a single-channel circuit with half-bridge terminal stages of the CCM [Artym A.D. …]. Such devices contain a pulse-width converter (PWM), a key power amplifier and a low-pass filter (LPF) made on a choke and a capacitor connected in parallel with the load. The principle of operation of a single-channel amplifier of the ABD class is based on the conversion of an analog signal into a sequence of width-modulated pulses with a switching frequency ƒ 0 significantly (20-30 times) higher than the upper frequency of the amplified signal, key power amplification with the formation of an alternating pulse voltage (with a level of + E and -E, where E is the amplitude of the pulse voltage) and the allocation of useful low-frequency components of the load excitation voltage at the output of the low-frequency filter.
Ключевое усиление импульсного сигнала соответствует пренебрежимо малым потерям в усилительных приборах, выполненных на высокоэффективных полевых транзисторах, находящихся в открытом или закрытом состоянии. Здесь основные потери энергии носят динамический характер и связаны с изменением их состояния, соответствующим формированию фронта, либо спада импульсного напряжения. Таким образом, потери энергии в ключевых элементах практически пропорциональны частоте переключений и могут достигать значительной относительной величины (10-15)% при повышении частоты переключений мощных каскадов КУМ до (400-600) кГц. Именно такую частоту ШИМ необходимо обеспечить для усиления широкополосных сигналов с верхней частотой Fв=20 кГц при условии необходимости обеспечения равномерности АЧХ выходного напряжения возбуждения комплексной нагрузки с коэффициентом активной мощности 0,2-0,4, характерным, в частности, для гидроакустических излучателей.The key amplification of the pulse signal corresponds to negligible losses in amplifying devices made on high-performance field-effect transistors, which are in the open or closed state. Here, the main energy losses are dynamic in nature and are associated with a change in their state corresponding to the formation of a front or a drop in the pulsed voltage. Thus, the energy losses in the key elements are practically proportional to the switching frequency and can reach a significant relative value (10-15)% with an increase in the switching frequency of high-power CCM stages to (400-600) kHz. It is this PWM frequency that must be provided to amplify broadband signals with an upper frequency F in = 20 kHz, provided that it is necessary to ensure the uniformity of the frequency response of the output excitation voltage of the complex load with an active power factor of 0.2-0.4, characteristic, in particular, for hydroacoustic emitters.
Значительно понизить (в 2 раза) частоту переключений каналов ключевого усиления (полумостовых схем КУМ) позволяет использование мостовых схем оконечных каскадов в усилителях класса BD [Артым А.Д. …], в которых используются двухканальные ШИП, формирующие широтно-модулированные импульсные последовательности, синфазные по модулирующему НЧ сигналу и противофазные по частоте ШИМ. При этом в диагонали мостовой схемы КУМ суммарное импульсное импульсов, полярность которых определяется полярностью модулирующего сигнала. Результирующая частота со изменения суммарного импульсного напряжения в два раза выше частоты переключений отдельных каналов ключевого усиления, что обеспечивает двукратное уменьшение динамических потерь энергии.Significantly reduce (by 2 times) the switching frequency of the switching amplification channels (half-bridge circuits of the KUM) allows the use of bridge circuits of the final stages in class BD amplifiers [Artym A.D. ...], which use two-channel PWMs that form width-modulated pulse sequences that are in-phase by the modulating low-frequency signal and anti-phase by the PWM frequency. At the same time, in the diagonal of the bridge circuit of the KUM, the total impulse pulses, the polarity of which is determined by the polarity of the modulating signal. The resulting frequency with a change in the total pulse voltage is two times higher than the switching frequency of individual channels of the key amplification, which provides a twofold reduction in dynamic energy losses.
Однако повышение энергетической эффективности усилителей класса BD связано с существенным понижением качественных показателей усиливаемых сигналов, особенно сигналов с широким динамическим диапазоном изменения. Указанное обстоятельство обусловлено принципом их работы, в соответствии с которым минимальному уровню модуляции соответствует минимальная длительность импульсов результирующего напряжения и практически отсутствие высокочастотных (ВЧ) составляющих тока дросселя ФНЧ. В результате искажения длительности импульсов, в частности, обусловленных задержкой включения транзисторов, существенно влияют на искажения малых уровней выходного напряжения, практически ограничивая динамический диапазон усиления соотношением:However, an increase in the energy efficiency of BD class amplifiers is associated with a significant decrease in the quality indicators of amplified signals, especially signals with a wide dynamic range of change. This circumstance is due to the principle of their operation, according to which the minimum level of modulation corresponds to the minimum duration of the resulting voltage pulses and the almost absence of high-frequency (HF) current components of the LPF inductor. As a result, the distortion of the pulse duration, in particular, due to the turn-on delay of transistors, significantly affects the distortion of low levels of the output voltage, practically limiting the dynamic range of the amplification by the ratio:
где τз - время задержки фронта включения транзисторов; Т - период следования импульсов с результирующей частотой переключения.where τ C - the delay time of the front turn on transistors; T is the pulse repetition period with the resulting switching frequency.
Принимая во внимание требуемые значения результирующей частоты переключений ƒ=1/Т=(400-600) кГц, даже при минимально необходимых задержках включения транзисторов τз=150 нс, динамический диапазон усиления будет ограничен на уровне 20-26 дБ.Taking into account the required values of the resulting switching frequency ƒ=1/T=(400-600) kHz, even with the minimum required transistor turn-on delays τ c =150 ns, the gain dynamic range will be limited to 20-26 dB.
Как показано в ранее проведенных исследованиях [Александров В.А. и др. Анализ результатов разработки энергетически эффективных широкополосных гидроакустических передающих устройств для звукоподводной связи. // Гидроакустика. 2017. №32 (4). С. 56-64], в одноканальном усилителе класса ABD искажения значительно меньше и динамический диапазон может составлять более 30 дБ.As shown in previous studies [Aleksandrov V.A. Analysis of the results of the development of energy-efficient broadband hydroacoustic transmitters for sound underwater communication. // Hydroacoustics. 2017. No. 32 (4). pp. 56-64], in a single-channel ABD class amplifier, distortion is much less and the dynamic range can be more than 30 dB.
Вместе с тем, как отмечалось, одноканальный усилитель ABD принципиально проигрывает двухканальному усилителю класса BD по показателям энергетической эффективности. В этом противоречии компромиссным вариантом реализации является переход к двухканальному усилителю класса ABD [Пат. РФ №2188498 приор. 21.01.2001, опубл. 27.08.2002 БИ №24]. Известное техническое решение использует принцип двухканальной ШИМ при последовательном трансформаторном сложении импульсных напряжений каналов ключевого усиления. При этом выходы каналов КУМ, синфазные по НЧ сигналу и противофазные по ШИМ, включаются параллельно через дроссели ФНЧ и блокировочный конденсатор. В результате в приведенном аналоге реализуются преимущества усилителя класса ABD с возможностью использования двухканальной ШИМ. Однако, использование этого технического решения [Пат. РФ №2188498…], в условиях повышения собственной частоты ФНЧ FB приводит к существенному (более чем в 2 раза) повышению верхней частоты усиливаемого сигнала, к тому же характеризуется значительной амплитудой ВЧ составляющих тока дросселей ФНЧ, уровень которых может превосходить максимальную амплитуду НЧ выходного тока. Кроме того, реализация известного двухканального усилителя класса ABD требует обязательного применения суммирующих выходных трансформаторов, габарит которых с учетом весьма низкой граничной частоты (Fн=100…300 Гц) определяет массогабаритные показатели усилительного устройства.At the same time, as noted, the ABD single-channel amplifier fundamentally loses to the BD-class two-channel amplifier in terms of energy efficiency. In this contradiction, a compromise implementation is the transition to a two-channel amplifier class ABD [Pat. RF No. 2188498 prior. 01/21/2001, publ. 08/27/2002 BI No. 24]. The well-known technical solution uses the principle of two-channel PWM in series transformer addition of the pulsed voltages of the switching amplification channels. In this case, the outputs of the KUM channels, in-phase by the low-frequency signal and anti-phase by the PWM, are connected in parallel through the low-pass filter chokes and the blocking capacitor. As a result, in the above analogue, the advantages of an ABD class amplifier with the possibility of using a two-channel PWM are realized. However, the use of this technical solution [US Pat. RF No. 2188498…], under conditions of increasing the natural frequency of the low-pass filter FB leads to a significant (more than 2 times) increase in the upper frequency of the amplified signal, and is also characterized by a significant amplitude of the high-frequency current components of the low-pass filter chokes, the level of which can exceed the maximum amplitude of the low-frequency output current . In addition, the implementation of the well-known two-channel amplifier of the ABD class requires the mandatory use of summing output transformers, the size of which, taking into account a very low cutoff frequency (F n = 100 ... 300 Hz), determines the weight and size indicators of the amplifying device.
В значительной степени устранить отмеченные недостатки усилителя-аналога [Пат. РФ №2188498…] позволяет использование известной мостовой схемы ключевого усилителя [Пат. US2021/0344311 Al. Class D amplifiers. Pub. date Nov.4.2021], где предполагается использование двухканальной ШИМ с управляемым фазовым сдвигом между импульсными напряжениями первого и второго каналов усиления. При этом в мостовой схеме усилителя класса D обеспечиваются управляемые зоны режима BD и ABD соответственно для больших и малых уровней модулирующих сигналов.To a large extent eliminate the noted shortcomings of the analogue amplifier [US Pat. RF No. 2188498...] allows the use of a well-known bridge circuit of a key amplifier [US Pat. US2021/0344311 Al. Class D amplifiers. Pub. date Nov.4.2021], which assumes the use of a two-channel PWM with a controlled phase shift between the pulse voltages of the first and second amplification channels. In this case, in the bridge circuit of the class D amplifier, controlled zones of the BD and ABD modes are provided, respectively, for high and low levels of modulating signals.
Известный усилитель класса D [Пат. US №2021/0344311 A1…], не требующий дополнительных выходных трансформаторов для суммирования импульсных напряжений отдельных каналов, является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и может быть принят в качестве прототипа заявляемого устройства.Known class D amplifier [US Pat. US No. 2021/0344311 A1…], which does not require additional output transformers for summing the impulse voltages of individual channels, is the closest to the proposed technical solution and can be taken as a prototype of the proposed device.
Структурная схема усилителя - прототипа представлена на фиг. 1. Усилитель-прототип содержит задающий генератор 1, генератор пилообразных напряжений 2, формирователь сигнала 3, два операционных усилителя 4.1 и 4.2, две схемы сравнения 5.1 и 5.2, два предварительных усилителя 6.1 и 6.2, два канала ключевых усилителей мощности 7.1 и 7.2, источник электропитания 8 и нагрузку 9, в качестве которой используется электродинамик со значительной индуктивной составляющей входного сопротивления.The block diagram of the prototype amplifier is shown in Fig. 1. The prototype amplifier contains a
В соответствии с принципом действия, известный усилитель класса D [Пат. US2021/0344311 А1…] может обеспечивать работу двухканальной схемы ключевого усиления как в режиме BD, так и в режиме ABD. При этом в режиме ABD, особенно при малых уровнях сигнала, достигается уменьшение нелинейных искажений, связанных с «обрывом тока» дросселей ФНЧ, что обеспечивает расширение динамического диапазона усиления с 20 дБ, характерных для режима BD, до 30-36 дБ.In accordance with the principle of operation, the known class D amplifier [US Pat. US2021/0344311 A1…] can operate a two-channel switching amplification circuit in both BD and ABD modes. At the same time, in the ABD mode, especially at low signal levels, a decrease in the nonlinear distortions associated with the “cut-off” of the low-pass filter chokes is achieved, which provides an expansion of the dynamic gain range from 20 dB, typical for the BD mode, to 30-36 dB.
Вместе с тем, переход к разнополярным импульсам, характерным для режима ABD, в усилителе-прототипе за счет фазового сдвига импульсных напряжений и каналов ключевого усиления, связан с двукратным понижением результирующей частоты переключений, что существенно ухудшает качество выходного сигнала вследствие значительного уровня пульсаций на исходной частоте ƒ0 ШИМ-преобразования. Такое понижение частоты недопустимо для передающих трактов звукоподводной связи по причине значительного подъема АЧХ на собственной частоте ФНЧ, как правило, устанавливаемой значительно выше верхней частоты усиливаемого сигнала. В результате сохраняется необходимость значительного повышения частоты ШИМ-преобразования и, как следствие, ухудшаются характеристики энергетической эффективности передающего устройства.At the same time, the transition to bipolar pulses, typical for the ABD mode, in the prototype amplifier due to the phase shift of the pulse voltages and channels of the key amplification, is associated with a twofold decrease in the resulting switching frequency, which significantly degrades the quality of the output signal due to a significant level of ripple at the initial frequency. ƒ 0 PWM conversion. Such a decrease in frequency is unacceptable for transmitting paths of underwater communication due to a significant rise in the frequency response at the natural frequency of the low-pass filter, which, as a rule, is set much higher than the upper frequency of the signal being amplified. As a result, the need to significantly increase the frequency of the PWM conversion remains, and, as a result, the energy efficiency characteristics of the transmitting device deteriorate.
Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности при расширении динамического диапазона усиления.The objective of the invention is to increase energy efficiency while expanding the dynamic range of amplification.
Техническим результатом от использования настоящего изобретения является трехкратное понижение необходимой частоты ШИМ-преобразования при уменьшении нелинейных искажений выходного сигнала и уменьшении динамических потерь энергии.The technical result of using the present invention is a threefold decrease in the required PWM conversion frequency while reducing the non-linear distortion of the output signal and reducing dynamic energy losses.
Технический результат достигается тем, что в известном усилителе класса D, содержащем задающий генератор, подключенный к входу генератора пилообразного напряжения, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первой и второй схем сравнения, вторые входы которых подключены к выходам первого и второго операционных усилителей, а выходы - к входам первого и второго предварительных усилителей, прямые и инверсные выходы которых соединены с первыми и вторыми входами первого и второго ключевых усилителей мощности, выводы положительного и отрицательного электропитания которых соединены с соответствующими выходами источника питания, а также нагрузку и формирователь сигнала посредством того, что в его состав введены новые признаки, а именно: третий операционный усилитель, третья схема сравнения, третий предварительный усилитель, третий ключевой усилитель мощности, а также три индуктивных фильтра, три датчика тока, сумматор и вычитающее устройство, а генератор пилообразного напряжения подключен третьим выходом к первому входу третьей схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу третьего операционного усилителя, а выход - к входу третьего предварительного усилителя, прямой и инверсный выходы которого соединены с первым и вторым входом третьего ключевого усилителя мощности, выводы положительного и отрицательного электропитания которого соединены с соответствующими выходами источника питания, причем выходы первого, второго и третьего ключевых усилителей мощности подключены, через первый, второй и третий индуктивные фильтры и первые выходы первого, второго и третьего датчиков тока, соответственно, к первому входу нагрузки, второй вход которой подключен к общему выходу источника питания, в причем, вторые выходы первого, второго и третьего датчиков тока соединены с первым, вторым и третьи входами вычитающего устройства и сумматора, подключенного выходом к инверсному входу вычитающего устройства, прямой вход которого соединен с выходом формирователя сигнала, а первый, второй и третий выходы, соответственно, с входами первого, второго и третьего операционного усилителя.The technical result is achieved by the fact that in a known class D amplifier containing a master oscillator connected to the input of a sawtooth voltage generator, the first and second outputs of which are connected to the first inputs of the first and second comparison circuits, the second inputs of which are connected to the outputs of the first and second operational amplifiers, and the outputs - to the inputs of the first and second preamplifiers, the direct and inverse outputs of which are connected to the first and second inputs of the first and second key power amplifiers, the positive and negative power supply terminals of which are connected to the corresponding outputs of the power source, as well as the load and the signal conditioner by means of that new features have been introduced into its composition, namely: a third operational amplifier, a third comparison circuit, a third preamplifier, a third key power amplifier, as well as three inductive filters, three current sensors, an adder and a subtractor, and a sawtooth voltage generator is connected by a third output to the first input of the third comparison circuit, the second input of which is connected to the output of the third operational amplifier, and the output to the input of the third preamplifier, the direct and inverse outputs of which are connected to the first and second inputs of the third key power amplifier, the positive and negative power supply terminals of which are connected with the corresponding outputs of the power source, and the outputs of the first, second and third key power amplifiers are connected through the first, second and third inductive filters and the first outputs of the first, second and third current sensors, respectively, to the first input of the load, the second input of which is connected to the common output of the power source, wherein the second outputs of the first, second and third current sensors are connected to the first, second and third inputs of the subtractor and the adder connected by the output to the inverse input of the subtractor, the direct input of which is connected to the output of the signal shaper, and the first, second and third outputs, respectively, with the inputs of the first, second and third operational amplifier.
В предлагаемом трехканальном усилителе класса D реализация заявляемого технического результата обеспечивается совокупностью вновь введенных блоков и связей. Повышение энергетической эффективности достигается уменьшением динамических потерь энергии при счет трехкратном понижении частоты ƒ0 переключений в каждом из трех каналов ключевого усиления при сохранении требуемого отношения результирующей частоты ƒ=3ƒ0 к верхней частоте Fв усиливаемого сигнала ƒ/Fв=400-600 кГц. При этом расширение динамического диапазона реализуется формированием разнополярных импульсов результирующего импульсного напряжения при относительном уровне входного сигнала m=Uвх/Uпм=0…0,33. Решение задачи выделения зоны режима ABD реализуется использованием параллельного включения трех каналов ключевых усилителей мощности через индуктивные фильтры на нагрузку с выравниванием низкочастотных выходных токов, чем достигается надежность функционирования усилителя класса D с трехканальной ШИМ с параллельным сложением выходной мощности отдельных каналов ключевого усиления.In the proposed three-channel class D amplifier, the implementation of the claimed technical result is provided by a set of newly introduced blocks and connections. An increase in energy efficiency is achieved by reducing dynamic energy losses by reducing the switching frequency ƒ 0 three times in each of the three channels of key amplification while maintaining the required ratio of the resulting frequency ƒ=3ƒ 0 to the upper frequency F in the amplified signal ƒ/F at =400-600 kHz. In this case, the expansion of the dynamic range is realized by the formation of bipolar pulses of the resulting impulse voltage at a relative level of the input signal m=U in /U pm =0...0.33. The solution to the problem of selecting the ABD mode zone is implemented using the parallel connection of three channels of key power amplifiers through inductive filters to the load with equalization of low-frequency output currents, which ensures the reliability of the operation of a class D amplifier with a three-channel PWM with parallel summation of the output power of individual channels of the key amplification.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где приведены структурные схемы устройства-прототипа (фиг. 1) и заявляемого устройства (фиг. 2), а также временные диаграммы сигналов, поясняющие работу заявляемого устройства (фиг. 3).The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-3, which shows block diagrams of the prototype device (Fig. 1) and the proposed device (Fig. 2), as well as timing signal diagrams that explain the operation of the proposed device (Fig. 3).
Структурная схема предлагаемого усилителя класса D (фиг. 2) содержит задающий генератор 1, трехканальный генератор 2 пилообразного напряжения, формирователь 3 сигнала, операционные усилители 4.1, 4.2, 4.3, схемы 5.1, 5.2, 5.3 сравнения, предварительные усилители 6.1, 6.2, 6.3, ключевые усилители 7.1, 7.2, 7.3 мощности, индуктивные фильтры 10.1, 10.2, 10.3, датчики тока 11.1, 11.2, 11.3, сумматор 12, вычитающее устройство 13, источник питания 8 и нагрузку 9.The block diagram of the proposed class D amplifier (Fig. 2) contains a
Для пояснения принципа действия заявляемого технического решения на фиг. 3а и фиг. 3б соответственно для большого (m≈0,75) и малого (m≈0,3) уровней усиливаемого сигнала U приведены следующие временные диаграммы: пилообразные напряжения Uп1, Uп2, Uп3, с равномерным временным сдвигом Т=Т0/3 (где Т0 - период переключений каналов КУМ); выходные напряжения V1, V2, V3 каналов КУМ 7.1, 7.2, 7.3; результирующее импульсное напряжение V, приведенное через индуктивные фильтры 10.1, 10.2, 10.3 к нагрузке 9.To explain the principle of operation of the proposed technical solution in Fig. 3a and fig. 3b, respectively, for large (m≈0.75) and small (m≈0.3) levels of the amplified signal U, the following time diagrams are shown: sawtooth voltages U p1 , U p2 , U p3 , with a uniform time shift T=T 0 /3 (where T 0 - the period of switching channels KUM); output voltages V 1 , V 2 , V 3 channels KUM 7.1, 7.2, 7.3; the resulting impulse voltage V, brought through the inductive filters 10.1, 10.2, 10.3 to the
На фиг 3в иллюстрируется процесс выравнивания выходных токов КУМ (сигналы Uт1, Uт2, Uт3 датчиков тока 11.1, 11.2, 11.3) в процессе параллельного сложения за счет формирования сигналов рассогласования ΔU1, ΔU2, ΔU3.Figure 3c illustrates the process of equalizing the output currents of the KUM (signals U t1 , U t2 , U t3 current sensors 11.1, 11.2, 11.3) in the process of parallel addition due to the formation of mismatch signals ΔU 1 , ΔU 2 , ΔU 3 .
Параллельное сложение импульсных напряжений V1, V2, V3 ключевых усилителей мощности 7.1, 7.2, 7.3, несмотря на высокую степень идентичности коэффициентов ШИМ-преобразования, обязательно требует выравнивания низкочастотных токов, протекающих через индуктивные фильтры 10.1, 10.2, 10.3. Такое выравнивание достигается сравнением выходных сигналов датчиков тока Uт1, Uт2, Uт3 (фиг. 3в) с суммарным средним значением, формируемым сумматором 12:Parallel addition of impulse voltages V 1 , V 2 , V 3 key power amplifiers 7.1, 7.2, 7.3, despite the high degree of identity of the PWM conversion coefficients, necessarily requires the alignment of low-frequency currents flowing through the inductive filters 10.1, 10.2, 10.3. This alignment is achieved by comparing the output signals of the current sensors U t1 , U t2 , U t3 (Fig. 3c) with the total average value generated by the adder 12:
В результате, вычитающим устройством 13 получены сигналы рассогласования ΔU1, ΔU2, ΔU3, которые корректируют усиливаемый сигнал U, поступающий на входы соответствующих операционных усилителей 4.1, 4.2, 4.3 в виде откорректированных значений U1, U2, U3:As a result, the subtractor 13 received mismatch signals ΔU 1 , ΔU 2 , ΔU 3 , which correct the amplified signal U supplied to the inputs of the respective operational amplifiers 4.1, 4.2, 4.3 in the form of corrected values U 1 , U 2 , U 3 :
где k - коэффициент, определяющий глубину отрицательной обратной связи (ОС) по выходному току каналов КУМ.where k is the coefficient that determines the depth of negative feedback (OS) for the output current of the CCM channels.
Максимальная глубина ОС по току может быть обеспечена не менее 30 дБ, что обеспечивает требуемую идентичность тока индуктивных фильтров 10.1, 10.2, 10.3 (отклонение не более 3%), на необходимое условие параллельного суммирования импульсных напряжений V1, V2, V3.The maximum current OS depth can be provided at least 30 dB, which ensures the required current identity of inductive filters 10.1, 10.2, 10.3 (deviation no more than 3%), for the necessary condition for parallel summation of impulse voltages V 1 , V 2 , V 3 .
Все структурные блоки, входящие в состав заявленного устройства выполняются по известным правилам, а их совокупное использование приводит к достижению заявленного технического результата.All structural blocks included in the claimed device are performed according to known rules, and their combined use leads to the achievement of the claimed technical result.
Задающий генератор 1 может быть реализован по известным схемам формирования импульсных сигналов с частотой, равной значению требуемой результирующей частоты ШИМ-преобразования ƒ=400-600 кГц.The
Трехканальный генератор 2 пилообразного напряжения выполняется на трехзвенном кольцевом счетчике (три D-триггера) на счетные входы которого поступают импульсы с выхода задающего генератора с частотой 2ƒ. В результате на выходах отдельных звеньев формируются импульсные последовательности типа меандр с частотой ƒ0=ƒ/3 в результате интегрирования которых образуются пилообразные напряжения Uп1, Uп2, Uп3 (фиг. 3а, б) равномерно сдвинутые на временной интервал τ=1/ƒ.A three-channel
В качестве формирователя 3 сигнала может быть использован как собственный синтезатор заданного модулированного НЧ сигнала, либо буферный усилитель и преобразователь широкополосного сигнала от внешнего устройства.As a
Для реализации операционных усилителей 4.1, 4.2, 4.3 могут быть использованы типовые микросхемы 1432УД25БУ, соответствующие частотному диапазону усиливаемых сигналов.To implement operational amplifiers 4.1, 4.2, 4.3, typical 1432UD25BU microcircuits can be used, corresponding to the frequency range of the amplified signals.
В качестве схем сравнения 5.1, 5.2, 5.3 применяются быстродействующие компараторы (например, 1481СА1Р), задержки переключения которых не превышают 20 нс, что соответствует допустимым искажениям ШИМ-преобразования.As comparison circuits 5.1, 5.2, 5.3, high-speed comparators are used (for example, 1481CA1P), the switching delays of which do not exceed 20 ns, which corresponds to the permissible distortion of the PWM conversion.
Предварительные усилители 6.1, 6.2, 6.3 и транзисторы полумостовых схем КУМ 7.1, 7.2, 7.3 выбираются из технических требований к максимальным значениям выходного низкочастотного (НЧ) напряжения и тока нагрузки. Например, для низковольтного усилителя класса D с выходным напряжением до 60 В (амплитуда) и номинальной выходной мощностью до 1000 ВА при максимальном суммарном выходном токе до 35 А (амплитуда) выбор драйверов и транзисторов должен соответствовать напряжению электропитания 120 В при допустимом напряжении 200 В и допустимом выходном токе не менее 20 А. Таким требованиям, например, соответствуют КУМ на транзисторах IRFS4227PBF управляемых драйвером с плавающей точкой IRSZ0124S, либо их отечественные аналоги. При необходимости повышения выходного напряжения для реализации каналов КУМ могут быть выбраны более высоковольтные полевые транзисторы, широкая номенклатура которых позволяет реализовать схемы ключевого усиления с напряжением электропитания до 1000-1200 В, что соответствует типовому уровню амплитуды возбуждения гидроакустических излучателей 300-400 В. В этом случае каналы КУМ могут быть реализованы на транзисторах CREE, например, типа С3М0065100 с допустимым выходным током 40А и драйверы с оптоэлектронной развязкой типа Si8234. Таким образом, можно обеспечить реализацию канала ключевого усиления номинальной мощности до 4 кВА. Соответственно, суммарная выходная мощность трехканального усилителя может достигать 10-12 кВА.Preamplifiers 6.1, 6.2, 6.3 and half-bridge transistors KUM 7.1, 7.2, 7.3 are selected from the technical requirements for the maximum output low-frequency (LF) voltage and load current. For example, for a low-voltage class D amplifier with an output voltage of up to 60 V (p-p) and a rated output power of up to 1000 VA with a maximum total output current of up to 35 A (p-p), the selection of drivers and transistors should correspond to a power supply voltage of 120 V with an allowable voltage of 200 V and permissible output current of at least 20 A. Such requirements, for example, correspond to the CCM on transistors IRFS4227PBF controlled by a floating-point driver IRSZ0124S, or their domestic counterparts. If it is necessary to increase the output voltage for the implementation of the CCM channels, higher-voltage field-effect transistors can be selected, a wide range of which allows the implementation of key amplification circuits with a power supply voltage of up to 1000-1200 V, which corresponds to a typical excitation amplitude level of hydroacoustic emitters of 300-400 V. In this case, KUM channels can be implemented on CREE transistors, for example, type С3М0065100 with a permissible output current of 40A and drivers with optoelectronic isolation of the Si8234 type. Thus, it is possible to ensure the implementation of a key amplification channel with a rated power of up to 4 kVA. Accordingly, the total output power of a three-channel amplifier can reach 10-12 kVA.
Индуктивные фильтры 10.1, 10.2, 10.3 обеспечивают ограничение амплитуды высокочастотного тока и выделение на нагрузке полезных НЧ составляющих суммарного импульсного напряжения. Индуктивные фильтры выполняются на дросселях, рассчитанных на номинальный ток нагрузки, индуктивность L которого определяется выбором собственной частоты F0 фильтра низких частот существенно выше верхней частоты усиливаемого сигнала -F0≥(1,5-2,0)Fв:Inductive filters 10.1, 10.2, 10.3 ensure the limitation of the amplitude of the high-frequency current and the selection of useful low-frequency components of the total impulse voltage on the load. Inductive filters are made on chokes designed for the rated load current, the inductance L of which is determined by the choice of natural frequency F 0 of the low-pass filter significantly higher than the upper frequency of the amplified signal -F 0 ≥ (1.5-2.0) F in :
где Сн - емкость нагрузки, характерная для гидроакустических излучателей.where C n is the load capacity characteristic of hydroacoustic emitters.
При этом максимальная амплитуда ВЧ тока каждого канала усиления, соответствующая выходным напряжениям V1, V2, V3 типа меандр, определяется из соотношения:In this case, the maximum amplitude of the RF current of each amplification channel, corresponding to the output voltages V 1 , V 2 , V 3 of the meander type, is determined from the relationship:
где Е - амплитуда импульсного напряжения.where E is the amplitude of the impulse voltage.
Как правило, значение Iвч max устанавливается не более максимального НЧ тока канала усиления Iк max=Iн max/3, что определяет диапазон индуктивности фильтров 10.1, 10.2, 10.3:As a rule, the value of I hf max is set to no more than the maximum low-frequency current of the amplification channel I k max \u003d I n max / 3, which determines the range of filter inductance 10.1, 10.2, 10.3:
Выполнение условия (7) при заданных значениях Сн, Е, Iнч max обеспечивается соотношением ƒ0/Fв, значение которого может быть более 20…30.Fulfillment of condition (7) at given values of C n , E, I lf max is provided by the ratio ƒ 0 /F in , the value of which can be more than 20…30.
Датчики тока 11.1, 11.2, 11.3 предназначены для контроля и выравнивания выходного тока каналов ключевого усиления 7.1, 7.2, 7.3 и должны формировать сигналы Uт1, Uт2, Uт3 (фиг. 3в), напряжения которых пропорциональны току индуктивных фильтров 10.1, 10.2, 10.3. Датчики могут быть выполнены резистивными с гальванической привязкой к средней точке источника питания 8 и дополнительным усилением сигналов операционными усилителями.Current sensors 11.1, 11.2, 11.3 are designed to control and equalize the output current of the switching amplification channels 7.1, 7.2, 7.3 and must generate signals U t1 , U t2 , U t3 (Fig. 3c), the voltages of which are proportional to the current of the inductive filters 10.1, 10.2, 10.3. The sensors can be made resistive with galvanic reference to the midpoint of the
Сумматор 12 предназначен для формирования среднего значения Uт по результатам взвешенного суммирования сигналов Uт1, Uт2, Uт3 (4). При соответствующем уровне выходного напряжения датчиков тока 11.1, 11.2, 11.3 может быть предложена простейшая схема резистивного суммирования.The
Вычитающее устройство 13 должно обеспечивать формирование сигналов коррекции для выравнивания выходных токов каналов ключевого усиления:The subtractor 13 must ensure the formation of correction signals to equalize the output currents of the key amplification channels:
При реализации вычитающего устройства предпочтительно использование операционных усилителей, обеспечивающих усиление сигналов ΔU1, ΔU2, ΔU3 в k-раз для формирования результирующих сигналов U1, U2, U3 (4), поступающих через операционные усилители 4.1, 4.2, 4.3 на компараторы 5.1, 5.2, 5.3. В результате ШИМ-преобразования импульсных напряжений V1, V2, V3 реализуется с учетом выравнивания выходных токов каналов ключевого усиления:When implementing a subtracting device, it is preferable to use operational amplifiers that provide amplification of the signals ΔU 1 , ΔU 2 , ΔU 3 k times to generate the resulting signals U 1 , U 2 , U 3 (4) coming through the operational amplifiers 4.1, 4.2, 4.3 to comparators 5.1, 5.2, 5.3. As a result of the PWM conversion of pulsed voltages V 1 , V 2 , V 3 is implemented taking into account the alignment of the output currents of the switching amplification channels:
Приведенное описание блоков и состава заявленного устройства подтверждает возможность реализации предлагаемого технического решения.The above description of the blocks and the composition of the claimed device confirms the possibility of implementing the proposed technical solution.
Заявленный усилитель класса D работает следующим образом.The claimed class D amplifier works as follows.
Входной сигнал с выхода формирователя 3 через вычитающее устройство с необходимой коррекцией поступает на прямые входы схем сравнения, на выходах которых по результатам сравнения с опорными пилообразными напряжениями Uп1, Uп2, Uп3 формируются ШИМ сигналы, в результате усиления которых на выходах КУМ 7.1, 7.2, 7.3 образуются импульсные напряжения V1, V2, V3. На фиг. 3а, б иллюстрируется формирование широтно-модулированных импульсных напряжений при равенстве U=U1=U2=U3 без учета сигналов рассогласования ввиду весьма незначительных различий, необходимых для выравнивания НЧ токов:The input signal from the output of the
Характерной особенностью формирования импульсных напряжений V1, V2, V3 является равномерный фазовый сдвиг на частоте переключений, что соответствует эквивалентному импульсному напряжению V с утроенной частотой изменения, приложенному к результирующему индуктивному фильтру, сформированному из параллельно включенных индуктивных фильтров 10.1, 10.2, 10.3.A characteristic feature of the formation of impulse voltages V 1 , V 2 , V 3 is a uniform phase shift at the switching frequency, which corresponds to an equivalent impulse voltage V with a tripled frequency of change applied to the resulting inductive filter formed from inductive filters 10.1, 10.2, 10.3 connected in parallel.
Следует отметить, что электропитание каналов КУМ 7.1, 7.2, 7.3 реализуется от напряжений +Е и -Е источника питания 8, средняя точка которого соединена с общим выводом нагрузки. При этом на выходах КУМ формируются знакопеременные напряжения, соответствующие режиму ABD. Указанное обстоятельство имеет принципиальное значение для уменьшения искажений и расширения диапазона усиливаемого сигнала. На фиг. 3б иллюстрируется формирование однотактной последовательности разнополярных импульсов эквивалентного напряжения V с утроенной результирующей частотой переключения ƒ=3ƒ0. Таким образом, требуемое качество выходного сигнала достигается при возможности трехкратного понижения частоты переключений каналов ключевого усиления при соответствующем уменьшении динамических потерь энергии. Отмеченное качество заявляемого технического решения особенно важно при реализации гидроакустических передающих устройств, имеющих явно выраженную емкостную составляющую проводимости, доминирующую в диапазоне верхних частот. Специальные требования равномерности АЧХ и ФЧХ напряжения возбуждения такой нагрузки должны быть обеспечены необходимым соотношением частот ƒ/Fв=(20…30).It should be noted that the power supply channels KUM 7.1, 7.2, 7.3 is implemented from the voltages +E and -E of the
Преимущества заявляемого решения по сравнению с известными аналогами и прототипом позволяют в этих условиях наиболее полно выполнить требования к энергетической эффективности и показателям качества выходных сигналов, предъявляемые к гидроакустическим широкополосным передающим устройствам.The advantages of the proposed solution in comparison with known analogues and the prototype make it possible in these conditions to most fully meet the requirements for energy efficiency and quality indicators of output signals for hydroacoustic broadband transmitters.
Повышение энергетической эффективности при расширении динамического диапазона в заявляемом усилителе класса D позволяет обеспечить внедрение предлагаемого технического решения в гидроакустические станции режимов гидроакустической связи (ГС). Так, если в устройстве-прототипе при усилении широкополосных сигналов ГС с верхней частотой до 20 кГц частота переключений должна составлять не менее 200 кГц, то в заявляемом устройстве достаточно обеспечить частоту переключений не более 130 кГц. При этом потери энергии в предлагаемом устройстве уменьшаются не менее, чем в 1,5 раза, а динамический диапазон напряжения увеличивается не менее, чем на 20 дБ (50 дБ по сравнению с 30 дБ, характерными для прототипа).Increasing energy efficiency while expanding the dynamic range in the inventive class D amplifier makes it possible to ensure the implementation of the proposed technical solution in hydroacoustic stations of hydroacoustic communication (HS) modes. So, if in the prototype device, when amplifying broadband GS signals with an upper frequency of up to 20 kHz, the switching frequency should be at least 200 kHz, then in the claimed device, it is sufficient to provide a switching frequency of not more than 130 kHz. In this case, the energy loss in the proposed device is reduced by at least 1.5 times, and the dynamic voltage range is increased by at least 20 dB (50 dB compared to 30 dB typical for the prototype).
В настоящее время на предприятии разработаны экспериментальные образцы узлов многоканальных ключевых усилителей, результаты испытаний которых подтверждают преимущества заявляемой трехканальной схемы ключевого усиления для использования в передающей аппаратуре широкополосных режимов ГС.At present, the enterprise has developed experimental samples of multi-channel key amplifier units, the test results of which confirm the advantages of the proposed three-channel key amplification circuit for use in transmitting equipment for broadband GS modes.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2794346C1 true RU2794346C1 (en) | 2023-04-17 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1145430A1 (en) * | 1983-10-11 | 1985-03-15 | Artyukhov Ivan | Frequency converter |
RU2372710C2 (en) * | 2008-01-09 | 2009-11-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | Key device (versions) |
US8339113B2 (en) * | 2010-07-19 | 2012-12-25 | Microchip Technology Incorporated | Buck switch-mode power converter large signal transient response optimizer |
RU2567849C1 (en) * | 2014-11-25 | 2015-11-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Multi-channel constant-voltage transformer |
EP2955456B1 (en) * | 2014-06-09 | 2019-12-11 | LG Electronics Inc. | Motor driving device and air conditioner including the same |
US20210344311A1 (en) * | 2018-05-17 | 2021-11-04 | Cirrus Logic International Semiconductor Ltd. | Class d amplifiers |
RU2767315C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-03-17 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Power supply system of pulse power amplifier |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1145430A1 (en) * | 1983-10-11 | 1985-03-15 | Artyukhov Ivan | Frequency converter |
RU2372710C2 (en) * | 2008-01-09 | 2009-11-10 | ОАО "Концерн "Океанприбор" | Key device (versions) |
US8339113B2 (en) * | 2010-07-19 | 2012-12-25 | Microchip Technology Incorporated | Buck switch-mode power converter large signal transient response optimizer |
EP2955456B1 (en) * | 2014-06-09 | 2019-12-11 | LG Electronics Inc. | Motor driving device and air conditioner including the same |
RU2567849C1 (en) * | 2014-11-25 | 2015-11-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Multi-channel constant-voltage transformer |
US20210344311A1 (en) * | 2018-05-17 | 2021-11-04 | Cirrus Logic International Semiconductor Ltd. | Class d amplifiers |
RU2767315C1 (en) * | 2021-04-26 | 2022-03-17 | Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" | Power supply system of pulse power amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8269555B2 (en) | Efficient linear LINC power amplifier | |
JP4932489B2 (en) | Transformer-based voltage power supply | |
DK2845314T3 (en) | CLASS-D AUDIO AMPLIFIER WITH ADJUSTABLE LOOP FILTER FEATURES | |
Bolotov et al. | EER power amplifier modulator efficiency improvement using PWM with additional sigma-delta modulation | |
US20170294888A1 (en) | Audio amplifier system | |
US20100303263A1 (en) | Electrostatic Speaker System | |
SE516847C2 (en) | Composite amplifier and transmitter including such amplifier | |
US10367460B2 (en) | Amplifier circuit | |
US4523152A (en) | High-efficiency feedforward-error-correction amplifier | |
US7321262B2 (en) | Power conversion system | |
EP2332251B1 (en) | Pulse-width modulation with selective pulse-elimination | |
Pergushev et al. | Signal distortion decreasing in envelope tracking power amplifiers | |
US20130127556A1 (en) | Power supply modulator and method for controlling same | |
Lokin et al. | EMI reduction in class-D amplifiers by actively reducing PWM ripple | |
US6963189B2 (en) | Attenuation control for digital power converters | |
RU2794346C1 (en) | Class d amplifier | |
KR101655769B1 (en) | Wide-band switching amplifier by combination of switching operation with a plurality of phases | |
WO2023155600A1 (en) | Common-mode voltage dynamic modulation circuit and method and d-class audio power amplifier | |
WO2004047286A1 (en) | Pulse modulated power converter | |
US10158326B2 (en) | Audio amplifier | |
RU2526280C1 (en) | Abd hydroacoustic amplifier | |
RU2726220C1 (en) | Method of multichannel asynchronous pulse-width modulation and device for implementation thereof | |
RU2776830C1 (en) | Class h amplifier | |
RU2795793C1 (en) | Class d amplifier with parametric control | |
RU2749015C1 (en) | Analog signal amplifier |