RU2816509C1 - Low frequency key amplification channel - Google Patents

Low frequency key amplification channel Download PDF

Info

Publication number
RU2816509C1
RU2816509C1 RU2023112561A RU2023112561A RU2816509C1 RU 2816509 C1 RU2816509 C1 RU 2816509C1 RU 2023112561 A RU2023112561 A RU 2023112561A RU 2023112561 A RU2023112561 A RU 2023112561A RU 2816509 C1 RU2816509 C1 RU 2816509C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
feedback circuit
frequency
voltage
Prior art date
Application number
RU2023112561A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Александров
Юрий Витальевич Казаков
Андрей Павлович Буянов
Original Assignee
Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" filed Critical Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор"
Application granted granted Critical
Publication of RU2816509C1 publication Critical patent/RU2816509C1/en

Links

Abstract

FIELD: amplifier and generator equipment.
SUBSTANCE: used in broadband transmission paths of the audio frequency range for radio broadcasting and hydroacoustic communications. For this purpose, a low-frequency key amplification channel is proposed, containing a pulse-width converter 1 (PW Converter 1), a key power amplifier 2 (KPA 2), a current sensor 3, a threshold feedback circuit 4, an adder 5, a rectifier 6 and a parallel RC circuit 7. In turn, the threshold feedback circuit 4 includes operational amplifiers 4.1 and 4.2, bus of reference voltage 4.3 Uo and diodes 4.4, 4.5.
EFFECT: limiting the amplitude of the output current under overload conditions when operating on a predominantly capacitive load by no more than 20% of the specified limit value with at least a twofold reduction in the harmonic distortion of the amplified signal, which can significantly increase the reliability of operation.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области усилительной и генераторной технике и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и гидроакустической связи.The invention relates to the field of amplifier and generator technology and can be used in broadband transmission paths of the audio frequency range for radio broadcasting and hydroacoustic communications.

Известны низкочастотные ключевые усилители класса D, использующие широтно-импульсную модуляцию и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М:. Связь. 1980. с 207]. Реализация методов ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку с невысоким коэффициентом активной мощности cos ϕ ≤ 0,5. Формирование импульсов, модулированных по длительности в зависимости от мгновенных значений усиливаемых сигналов, например, в результате сравнения с опорным симметричным пилообразным напряжением, обеспечивает линейность амплитудной характеристики и оптимизацию структуры спектра импульсного напряжения, и, как следствие, высокое качество выходных напряжений усилителя класса D.Low-frequency key amplifiers of class D are known, using pulse-width modulation and providing highly efficient amplification of broadband signals in the audio frequency range [Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M:. Connection. 1980. p. 207]. The implementation of switching amplification methods favorably distinguishes amplifiers with PWM from linear amplifiers from an energy point of view, especially when operating on a complex load with a low active power factor cos ϕ ≤ 0.5. The formation of pulses modulated in duration depending on the instantaneous values of the amplified signals, for example, as a result of comparison with a reference symmetrical sawtooth voltage, ensures linearity of the amplitude characteristics and optimization of the structure of the pulse voltage spectrum, and, as a consequence, high quality output voltages of a class D amplifier.

Наряду с высокой энергетической эффективностью дополнительным преимуществом широкополосных ключевых усилителей является стабильность выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах, что обусловлено весьма низким собственным сопротивлением транзисторов в открытом состоянии.Along with high energy efficiency, an additional advantage of broadband key amplifiers is the stability of the output voltage when the load changes over a wide range, which is due to the very low intrinsic resistance of the transistors in the on state.

Современные мощные полевые транзисторы позволяют обеспечить формирование импульсных напряжений до 1000 В при выходном токе до десятков Ампер при сопротивлении открытых каналов не более 0,01-0,1 Ом. Как правило, в усилителях класса D гидроакустических передающих трактов величина индуктивности Lф ФНЧ выбирается из условия выделения на нагрузке напряжения возбуждения гидроакустического излучателя в диапазоне звуковых частот (до Fв=20 кГц) без искажения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Это обеспечивается при индуктивном сопротивлении YL=2πFвLф значительно меньшем минимального сопротивления нагрузки Zн(Fв).Modern high-power field-effect transistors make it possible to provide the formation of pulse voltages up to 1000 V with an output current of up to tens of Amperes with an open channel resistance of no more than 0.01-0.1 Ohm. As a rule, in class D amplifiers of hydroacoustic transmitting paths, the inductance value L f of the low-pass filter is selected from the condition of isolating the excitation voltage of the hydroacoustic emitter at the load in the audio frequency range ( up to F = 20 kHz) without distorting the amplitude-frequency response (AFC). This is ensured when the inductive reactance Y L =2πF in L f is significantly less than the minimum load resistance Z n (F in ).

Вместе с тем, высокая стабильность нагрузочных характеристик усилителей класса D связана с возможностью практически неограниченного нарастания выходного тока при значительном уменьшении импеданса нагрузки, либо с наличием пик фактора усиливаемых сложных сигналов. В результате могут возникать аварийные режимы перегрузки, что может приводить к выходам из строя транзисторов оконечных каскадов КУМ. Возникновение таких ситуаций является типичным для каналов ключевых усилителей, обеспечивающих возбуждение широкополосных гидроакустических преобразователей сложными сигналами цифровых сообщений, характеризующихся значительным пик фактором и фазовыми сдвигами в условиях работы на емкостную нагрузку. Попытка использовать отрицательную обратную связь по выходному току, согласно известному технологическому решению [Алексанян А.А., Александров В.А., Галахов В.А., Лондон Г.Ф. Авторское свидетельство СССР SU №1531186 от 23.12.19889 Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки. МПК H03K 3/02] приводит усилитель класса D в режим генератора тока. В результате при изменении импеданса нагрузки в полосе частот недопустимо искажается спектральная структура сигнала гидроакустической связи (ГС).At the same time, the high stability of the load characteristics of class D amplifiers is associated with the possibility of an almost unlimited increase in the output current with a significant decrease in the load impedance, or with the presence of a peak factor for amplified complex signals. As a result, emergency overload modes may occur, which can lead to failure of the transistors of the final stages of the KUM. The occurrence of such situations is typical for the channels of key amplifiers that provide excitation of broadband hydroacoustic transducers with complex digital message signals, characterized by a significant peak factor and phase shifts under conditions of operation with a capacitive load. An attempt to use negative feedback on the output current, according to a well-known technological solution [Aleksanyan A.A., Alexandrov V.A., Galakhov V.A., London G.F. Copyright certificate of the USSR SU No. 1531186 dated December 23, 19889 Key current generator primarily for geoelectric prospecting. IPC H03K 3/02] puts the class D amplifier into current generator mode. As a result, when the load impedance changes in the frequency band, the spectral structure of the hydroacoustic communication (HA) signal is unacceptably distorted.

При необходимости обеспечения требуемой стабильности АЧХ напряжения возбуждения гидроакустических преобразователей (ГАП) безопасность работы каналов ключевых усилителей может быть обеспечена аварийным отключением по возрастанию остаточного напряжения на транзисторах. (Александров В.А., Киселев П.А., Куреной А.В. Патент РФ №2573229 от 20.01.2016. Модуль ключевого усиления. МПК H03F 3/217] либо при превышении амплитуды выходного тока предельного значения [Александров В.А., Майоров В.А., Полканов К.И. Патент РФ №2195687 от 27.12.2002. Гидроакустический передающий тракт. МПК G01S 7/524, 15/00].If it is necessary to ensure the required stability of the frequency response of the excitation voltage of hydroacoustic transducers (HAT), the safety of the channels of key amplifiers can be ensured by emergency shutdown when the residual voltage on the transistors increases. (Alexandrov V.A., Kiselev P.A., Kurenoy A.V. RF Patent No. 2573229 dated January 20, 2016. Key amplification module. IPC H03F 3/217] or when the amplitude of the output current exceeds the limit value [Alexandrov V.A. ., Mayorov V.A., Polkanov K.I. RF Patent No. 2195687 dated December 27, 2002. Hydroacoustic transmission path. IPC G01S 7/524, 15/00].

Срабатывание механизма защиты предотвращает выход транзисторов из строя, запрещая работу КУМ на время всего цикла излучения. В результате имеет место неустойчивый режим передачи цифрового сообщения, что является недопустимым в рамках решения технических и технологических задач гидроакустических станций.The operation of the protection mechanism prevents the failure of transistors by prohibiting the operation of the ASC for the duration of the entire radiation cycle. As a result, there is an unstable mode of digital message transmission, which is unacceptable in the framework of solving the technical and technological problems of hydroacoustic stations.

Наиболее близким к предлагаемому решению по количеству общих признаков является реализация канала ключевого усиления с динамическим ограничением выходного тока, описанная в патенте [Александров В.А., Казаков Ю.В., Калашников С.А. Патент РФ №2574813 от 10.02.2016. Многоканальный усилитель класса D. МПК H03F 3/217].The closest to the proposed solution in terms of the number of common features is the implementation of a key amplification channel with dynamic limitation of the output current, described in the patent [Alexandrov V.A., Kazakov Yu.V., Kalashnikov S.A. RF Patent No. 2574813 dated 02/10/2016. Multi-channel amplifier class D. IPC H03F 3/217].

Прототип - канал низкочастотного ключевого усиления мощности по патенту №2574813 (фиг. 1), содержит широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП 1), ключевой усилитель 2 мощности (КУМ 2), датчик 3 тока, сумматор 5 и цепь 4 пороговой обратной связи.The prototype is a low-frequency key power amplification channel according to patent No. 2574813 (Fig. 1), contains a pulse-width converter 1 (PWID 1), a key power amplifier 2 (KUM 2), a current sensor 3, an adder 5 and a threshold feedback circuit 4.

Временные диаграммы сигналов, представленные на фиг. 2 для пояснения принципа действия устройства-прототипа, включают напряжения:The timing diagrams of the signals presented in Fig. 2 to explain the principle of operation of the prototype device, include voltages:

U - входной сигнал;U - input signal;

Uт - сигнал с выхода датчика тока;U t - signal from the output of the current sensor;

Uoc - сигнал на выходе цепи 4 пороговой обратной связи; ир - разностный сигнал на выходе сумматора 5;U oc - signal at the output of threshold feedback circuit 4; and p is the difference signal at the output of adder 5;

Uн - сигнал на активно емкостной нагрузке КУМ 2, включающей дроссель ФНЧ.U n - signal on the active capacitive load KUM 2, including the low-pass filter choke.

-Uг'+Uг - граничные уровни пороговой ОС (пунктирная линия)-U g' +U g - threshold OS threshold levels (dashed line)

Сплошная линия - без токовой перегрузки, пунктирная линия - в режиме токовой перегрузки.Solid line - without current overload, dotted line - in current overload mode.

Работа устройства прототипа осуществляется следующим образом.The prototype device operates as follows.

Входной сигнал U через сумматор 5 поступает на вход ШИП 1, где преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов, которые передаются через драйверы в составе КУМ 2 на управление транзисторами полумостового оконечного каскада ключевого усиления. В составе КУМ 2 по известным правилам [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М:. Связь. 1980. с 207] также входит дроссель ФНЧ, индуктивность Lф которого обеспечивает ограничение высокочастотных составляющих выходного тока. При этом через датчик 3 тока в шине нагрузки формируется низкочастотное напряжение Uн, практически повторяющее по форме входное напряжение на заданном уровне мощности. При работе на гидроакустические преобразователи основным фильтрующим звеном выходного напряжения является емкость нагрузки Сн, коэффициент активной мощности которой, как правило, не превышает cos ϕ=0,4 и на высоких частотах в области собственной частоты практически не превышает cos ϕф=0,1. Соответственно, добротность фильтра достигает 10, что связано с существенным подъемом АЧХ выходного напряжения.The input signal U through the adder 5 is supplied to the input of the PWB 1, where it is converted into a sequence of width-modulated pulses, which are transmitted through the drivers as part of the KUM 2 to control the transistors of the half-bridge final stage of the key amplification. As part of KUM 2 according to the known rules [Artym A.D. Class D amplifiers and key generators in radio communications and broadcasting. M:. Connection. 1980. p. 207] also includes a low-pass filter choke, the inductance L f of which ensures the limitation of high-frequency components of the output current. In this case, through the current sensor 3 in the load bus, a low-frequency voltage U n is formed, practically repeating the shape of the input voltage at a given power level. When working on hydroacoustic transducers, the main filtering element of the output voltage is the load capacitance Сн , the active power factor of which, as a rule, does not exceed cos ϕ=0.4 and at high frequencies in the natural frequency region practically does not exceed cos ϕ f =0.1. Accordingly, the filter’s quality factor reaches 10, which is associated with a significant increase in the frequency response of the output voltage.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения в полосе рабочих частот, верхнюю частоту рабочего диапазона фильтра Ωв выбирают значительно (в 2-3 раза) ниже собственной частоты ФНЧ.To ensure stability of the output voltage in the operating frequency band, the upper frequency of the operating range of the filter Ω in is chosen significantly (2-3 times) lower than the natural frequency of the low-pass filter.

В результате гармоники низкочастотных составляющих модулированного импульсного напряжения, попадающие в область собственной частоты ФНЧ, могут кратно подчеркиваться, обуславливая повышение нелинейных искажений, и в отдельных случаях вызывая опасное превышение амплитуды выходного тока. Выделенное обстоятельство предъявляет еще более жесткие требования к качественным характеристикам тракта ключевого усиления, включающего ШИП 1 и КУМ 2, что достигается применением симметричной модуляции и быстродействующих полевых транзисторов в оконечном каскаде схемы ключевого усиления.As a result, the harmonics of the low-frequency components of the modulated pulse voltage, falling within the region of the low-pass filter’s natural frequency, can be emphasized multiple times, causing an increase in nonlinear distortions, and in some cases causing a dangerous excess in the amplitude of the output current. This circumstance places even more stringent requirements on the quality characteristics of the key amplification path, including PWB 1 and KUM 2, which is achieved by using symmetrical modulation and high-speed field-effect transistors in the final stage of the key amplification circuit.

Таким образом, в номинальном режиме работы при значении выходного тока IL менее достигнутого значения |IL|≤I, обеспечивается требуемое качество выходного напряжения. В этом случае полуволны выходного напряжения Uт датчика 3 тока не превышают установленных значений +Uтд и -Uтд, определяющих границы сравнения цепи 4 пороговой обратной связи (ОС). Соответственно сигнал Uoc=0 означает, что обратная связь по выходному току отсутствует и не влияет на изменение разностного сигнала Up на входе ШИП 1.Thus, in the nominal operating mode, when the value of the output current I L is less than the achieved value |I L |≤I , the required quality of the output voltage is ensured. In this case, the half-waves of the output voltage U t of the current sensor 3 do not exceed the set values +U td and -U td that define the boundaries of comparison of the threshold feedback circuit 4 (FS). Accordingly, the signal U oc =0 means that there is no feedback on the output current and does not affect the change in the difference signal U p at the input of PWB 1.

В режиме токовой перегрузки выходной сигнал Uт датчика 3 тока превышает граничные значения пороговой цепи 4 ОС ±Uтд. При этом на второй вход сумматора 5 поступает разностный сигнал:In current overload mode, the output signal U t of current sensor 3 exceeds the limit values of the threshold circuit 4 OS ±U td . In this case, the difference signal is received at the second input of adder 5:

В результате изменяется уровень и форма разностного сигнала Up на входе ШИП 1. Для одинаковых коэффициентов суммирования (R1=R2) выполняется соотношение Up = U - Uoc, что приводит к соответствующему изменению низкочастотных составляющих модулированного импульсного напряжения в КУМ 2 и коррекции выходного тока (некорректированные сигналы Uт и Uр показаны на фиг. 2 пунктирными линиями). Вследствие корректирующего воздействия сигнала пороговой обратной связи по току достигается ограничение выходного тока (Uт - сплошная линия). Одновременно изменяется уровень и форма выходного напряжения при значительном ухудшении качества сигнала. Нелинейные искажения при этом обусловленные главным образом третьей и пятой гармоникой, могут достигать 20-40%. Особенно значительные искажения имеют место при работе на преимущественно емкостную нагрузку, для которой третья гармоника может значительно подчеркиваться собственным резонансом ФНЧ.As a result, the level and shape of the difference signal U p at the input of PWB 1 changes. For the same summation coefficients (R 1 = R 2 ), the relation Up = U - U oc is satisfied, which leads to a corresponding change in the low-frequency components of the modulated pulse voltage in KUM 2 and correction output current (uncorrected signals U t and U p are shown in Fig. 2 by dotted lines). Due to the corrective effect of the threshold current feedback signal, a limitation of the output current is achieved (U t - solid line). At the same time, the level and shape of the output voltage changes with a significant deterioration in signal quality. Nonlinear distortions in this case, caused mainly by the third and fifth harmonics, can reach 20-40%. Especially significant distortions occur when operating a predominantly capacitive load, for which the third harmonic can be significantly emphasized by the low-pass filter’s own resonance.

Такое подчеркивание гармонических искажений не только принципиально ухудшает качество напряжения возбуждения гидроакустического преобразователя, но и значительно ухудшает стабильность ограничения выходного тока КУМ, амплитуда которого может более чем в 1,5 раза превосходить установленное граничное значение, что влияет на надежность работы канала низкочастотного ключевого усиления - прототипа.This emphasis on harmonic distortion not only fundamentally worsens the quality of the excitation voltage of the hydroacoustic transducer, but also significantly worsens the stability of the limiting output current of the ASC, the amplitude of which can be more than 1.5 times greater than the set limit value, which affects the reliability of the low-frequency key amplification channel - the prototype .

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы канала низкочастотного ключевого усиления мощности при улучшении качества напряжения в режимах перегрузки.The objective of the present invention is to increase the reliability of the low-frequency switching power amplification channel while improving the voltage quality in overload modes.

Техническим результатом от использования настоящего изобретения является ограничение амплитуды выходного тока в условиях перегрузки при работе на преимущественно емкостную нагрузку не более чем на 20% от заданного граничного значения при не менее чем двукратном уменьшении гармонических искажений усиленного сигнала.The technical result of the use of the present invention is to limit the amplitude of the output current under overload conditions when operating on a predominantly capacitive load by no more than 20% of the specified limit value with at least a twofold reduction in harmonic distortion of the amplified signal.

Технический результат достигается тем, что в известном канале низкочастотного ключевого усиления, содержащем сумматор, первый вход которого соединен с шиной входного сигнала, а второй вход - с выходом пороговой цепи обратной связи, а выход - с входом широтно-импульсного преобразователя, подключенного выходом к входу ключевого усилителя мощности, выход которого через датчик тока соединен с шиной нагрузки, введены новые признаки, а именно: выпрямитель и параллельная RC цепь, включенная между общей шиной и входом пороговой цепи обратной связи, соединенным через выпрямитель с выходом датчика тока.The technical result is achieved by the fact that in the known channel of low-frequency switch amplification, containing an adder, the first input of which is connected to the input signal bus, and the second input is connected to the output of the threshold feedback circuit, and the output is to the input of a pulse-width converter connected by the output to the input key power amplifier, the output of which is connected to the load bus through a current sensor, new features have been introduced, namely: a rectifier and a parallel RC circuit connected between the common bus and the input of the threshold feedback circuit, connected through a rectifier to the output of the current sensor.

В свою очередь цепь пороговой обратной связи канала низкочастотного ключевого усиления содержит первый и второй операционные усилители, причем инверсный вход первою операционного усилителя соединен с прямым входом второго операционного усилителя и подключен к входу пороговой цепи обратной связи, а прямой вход первого операционного усилителя соединен с инверсным входом второго операционного усилителя и подключен к шине опорного напряжения, при этом выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через диоды положительной и отрицательной проводимости подключены параллельно к выходу пороговой цепи обратной связи.In turn, the threshold feedback circuit of the low-frequency key gain channel contains the first and second operational amplifiers, and the inverse input of the first operational amplifier is connected to the direct input of the second operational amplifier and connected to the input of the threshold feedback circuit, and the direct input of the first operational amplifier is connected to the inverse input the second operational amplifier and connected to the reference voltage bus, while the outputs of the first and second operational amplifiers, respectively, through positive and negative conductivity diodes, are connected in parallel to the output of the threshold feedback circuit.

Обеспечение технического результата достигается модуляцией ограничения выходного тока при превышении амплитудного значения, определенного в результате амплитудного детектирования, установленного граничного значения. При этом достигается равномерное ограничение полуволн низкочастотного (НЧ) модулирующего (разностного) сигнала, формирующее импульсное напряжение с ШИМ и, соответственно, выходное напряжение и ток нагрузки. Фиксирование амплитуды выпрямленного сигнала датчика тока на время разряда амплитудного детектора позволяет реализовать режим ограничения модулирующего сигнала при превышении огибающей амплитуды тока установленного датчика, что соответствует уменьшению гармонических искажений выходного напряжения при минимизации превышения максимального тока граничного уровня.Providing a technical result is achieved by modulating the output current limitation when the amplitude value determined as a result of amplitude detection exceeds the set limit value. In this case, a uniform limitation of the half-waves of the low-frequency (LF) modulating (difference) signal is achieved, forming a pulse voltage with PWM and, accordingly, the output voltage and load current. Fixing the amplitude of the rectified signal of the current sensor for the duration of the discharge of the amplitude detector makes it possible to implement a mode of limiting the modulating signal when the current amplitude envelope of the installed sensor is exceeded, which corresponds to a reduction in harmonic distortion of the output voltage while minimizing the excess of the maximum current limit level.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 приведена схема устройства-прототипа, на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу, на фиг. 3 схема заявленного устройства, на фиг. 4 временные диаграммы, поясняющие работу заявленного устройства.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-4, where in FIG. 1 shows a diagram of the prototype device, Fig. 2 timing diagrams explaining its operation, in Fig. 3 diagram of the claimed device, Fig. 4 timing diagrams explaining the operation of the claimed device.

Структурная схема заявленного канала низкочастотного ключевого усиления (фиг. 2) содержит широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП 1), ключевой усилитель мощности 2 (КУМ 2), датчик 3 тока, цепь 4 пороговой обратной связи, сумматор 5, выпрямитель 6 и параллельная RC-цепь 7. В свою очередь цепь 4 пороговой обратной связи включает операционные усилители 4.1 и 4.2, шину 4.3 опорного напряжения Uо и диоды 4.4, 4.5.The block diagram of the claimed low-frequency key amplification channel (Fig. 2) contains a pulse-width converter 1 (PWID 1), a key power amplifier 2 (KPA 2), a current sensor 3, a threshold feedback circuit 4, an adder 5, a rectifier 6 and a parallel RC - circuit 7. In turn, threshold feedback circuit 4 includes operational amplifiers 4.1 and 4.2, reference voltage bus 4.3 U o and diodes 4.4, 4.5.

Принцип действия заявляемого технического решения поясняется диаграммами сигналов (фиг. 4), где представлены следующие временные зависимости:The operating principle of the proposed technical solution is illustrated by signal diagrams (Fig. 4), which present the following time dependencies:

U-напряжение на шине входного сигнала для преимущественно емкостной нагрузки;U-voltage on the input signal bus for a predominantly capacitive load;

Uт- напряжение на выходе датчика тока (пунктиром обозначен сигнал в режиме перегрузки без ограничения тока);U t - voltage at the output of the current sensor (the dotted line indicates the signal in overload mode without current limitation);

Uо - уровень порогового напряжения цепи 5 пороговой ОСU o - threshold voltage level of circuit 5 threshold OS

Uдт - детектированный уровень напряжения на выходе выпрямителя 6, нагруженного на параллельную RC-цепь 7 (пунктиром обозначен уровень сигнала без ограничения тока);U dt - detected voltage level at the output of rectifier 6 loaded onto a parallel RC circuit 7 (the dotted line indicates the signal level without current limitation);

Up'+Uос'-Uос - уровни ограничения положительной и отрицательной полуволн входного сигнала, определяющие максимальную амплитуду напряжения Up на выходе сумматора 5 при R1 >> R2.;U p' +U os' -U os - limitation levels of the positive and negative half-waves of the input signal, which determine the maximum voltage amplitude U p at the output of the adder 5 at R 1 >> R 2 .;

-Uг'+Uг - граничные уровни пороговой ОС (пунктирная линия)-U g' +U g - threshold OS threshold levels (dashed line)

В состав предлагаемого устройства входят блоки, выполненные по известным правилам в соответствии с заявленными особенностями реализации, совокупное применение которых обеспечивает достижение технического результата.The proposed device includes blocks made according to known rules in accordance with the stated implementation features, the combined use of which ensures the achievement of a technical result.

ШИП 1 выполняется по традиционной схеме (Артым. А.Д.), реализующей формирование одноканальной ШИМ первого рода. В состав ШИП-1 входят генератор пилообразного напряжения тактовой частоты, значительно (более чем в 15-30 раз) превышающий верхнюю частоту усиливаемого сигнала, и коммутатор, обеспечивающий формирование ШИМ сигнала по результату входного воздействия Up с пилообразным напряжением.PWM 1 is carried out according to the traditional scheme (Artym. A.D.), which implements the formation of a single-channel PWM of the first kind. SHIP-1 includes a sawtooth voltage generator with a clock frequency, significantly (more than 15-30 times) higher than the upper frequency of the amplified signal, and a switch that ensures the formation of a PWM signal as a result of the input action U p with a sawtooth voltage.

Ключевой усилитель 2 мощности для предлагаемого низкочастотного канала ключевого усиления выполняется по полумостовой схеме на полевых транзисторах с требуемыми допустимыми значениями напряжения и тока. Для противофазного управления транзисторами полумостовой схемы ключевого усилителя в составе КУМ 2 реализуются драйверы импульсных сигналов с плавающей точкой, например, применяемые в пат. РФ №2573229 (Модуль ключевого усилителя мощности. Опубл. 17.12.2015), либо с оптоэлектронной развязкой, согласно пат. РФ №2716041 (Модуль высоковольтного ключевого усилителя. Опубл. 06.03.2020).The key power amplifier 2 for the proposed low-frequency key amplification channel is implemented using a half-bridge circuit using field-effect transistors with the required permissible voltage and current values. To control out-of-phase transistors of the half-bridge circuit of the switching amplifier, drivers of pulse signals with floating point are implemented as part of KUM 2, for example, those used in US Pat. RF No. 2573229 (Switch power amplifier module. Published 12/17/2015), or with optoelectronic isolation, according to patent. RF No. 2716041 (High-voltage switching amplifier module. Published 03/06/2020).

Датчик 3 тока, применительно к каналу низкочастотного ключевого усилителя с частотным диапазоном не ниже 100 Гц, наиболее простым образом выполняется на трансформаторе тока. Например, при одном витке первичной обмотки и 100 витках вторичной, нагруженной на сопротивление 100 Ом, коэффициент передачи такого датчика тока составит Kт=1В/1А.Current sensor 3, in relation to the channel of a low-frequency key amplifier with a frequency range of at least 100 Hz, is most simply performed on a current transformer. For example, with one turn of the primary winding and 100 turns of the secondary winding, loaded with a resistance of 100 Ohms, the transmission coefficient of such a current sensor will be K t = 1V/1A.

Выпрямитель 6 обеспечивает выпрямление полуволн сигнала Uт, пропорционального выходному току Uт=KтI, выполняется по мостовой, либо (при вторичной обмотке трансформатора тока со средней точкой) по двухтактной схеме на обычных полувольтных диодах.Rectifier 6 provides rectification of half-waves of the signal U t , proportional to the output current U t =K t I, performed via a bridge, or (with the secondary winding of a current transformer with a midpoint) via a push-pull circuit using conventional half-voltage diodes.

RC - цепь предназначена для выполнения функции детектора амплитуды выпрямленных выпрямленного напряжения Uт. При параллельном включении RC - цепи 7 на выходе выпрямителя формируется напряжение Uдт, уровень которого определяется максимальной амплитудой сигнала Uт с постоянной времени разряда, примерно равной полупериоду нижней частоты диапазона усиливаемого сигнала U.The RC circuit is designed to perform the function of a detector of the amplitude of rectified rectified voltage U t . When RC circuit 7 is connected in parallel, a voltage U dt is generated at the output of the rectifier, the level of which is determined by the maximum signal amplitude U t with a discharge time constant approximately equal to the half-cycle of the lower frequency range of the amplified signal U.

Цепь 4 пороговой обратной связи предназначена для формирования граничных условий положительной +Uос и отрицательной -Uoc полярности для ограничения уровня, соответственно, положительной и отрицательной полуволн выходного сигнала при превышении уровня Uдт, установленного значения Uо. При уровне Uдт<Uо граничные значения +Uос, -Uос находятся выше номинальной амплитуды входного сигнала U=Up и препятствуют его прохождению через сумматор 6 на вход ШИП 1. В режиме токовой перегрузки Uдт>U0, что приводит к уменьшению граничных значений |+Uoc| и |-Uoc| и, соответственно, ограничению уровня положительной и отрицательной полуволны усиливаемого сигнала Up.Threshold feedback circuit 4 is designed to form boundary conditions of positive +U oc and negative -U oc polarity to limit the level, respectively, of the positive and negative half-waves of the output signal when the level U dt is exceeded, the set value of U o . At the level U dt <U o , the boundary values +U o c , -U o o are above the nominal amplitude of the input signal U=U p and prevent its passage through the adder 6 to the input of the power supply 1. In the current overload mode U d t >U 0 , which leads to decrease the limit values |+U oc | and |-U oc | and, accordingly, limiting the level of the positive and negative half-waves of the amplified signal U p .

Для реализации заданной функции цепь 4 выполняется на двух операционных усилителях 4.1 и 4.2 и двух диодах 4.4 и 4.5, а также содержит шину 4.3 опорного напряжения Uо. Собственный коэффициент усиления операционных усилителей устанавливается не менее 30, чем достигается глубина ограничения выходного тока более чем 30 дБ, соответствующая формированию заявленного технического результата.To implement the given function, circuit 4 is performed on two operational amplifiers 4.1 and 4.2 and two diodes 4.4 and 4.5, and also contains a reference voltage bus 4.3 U o . The intrinsic gain of the operational amplifiers is set to no less than 30, which achieves a limiting depth of the output current of more than 30 dB, corresponding to the formation of the declared technical result.

В рамках решаемой задачи сумматор 5 предназначен для ограничения уровня полуволн усиливаемого сигнала при прохождении резистора R1, что достигается при условии соотношения резисторов в резистивном сумматоре R1 >> R2. Например, для входного сопротивления ШИП 1 не менее 10 кОм сопротивление резисторов сумматора могут составлять R1=1 кОм, R2=100 Ом.Within the framework of the problem being solved, adder 5 is designed to limit the level of half-waves of the amplified signal when passing through resistor R 1 , which is achieved provided that the ratio of resistors in the resistive adder is R 1 >> R 2 . For example, for the input resistance of SHIP 1 of at least 10 kOhm, the resistance of the adder resistors can be R 1 = 1 kOhm, R 2 = 100 Ohm.

Предлагаемый канал низкочастотного ключевого усилителя работает следующим образом.The proposed low-frequency key amplifier channel works as follows.

В номинальном режиме работы входной сигнал U через сумматор 5 поступает без ограничения уровня на вход ШИП 1 с входным сопротивлением Rвх=10 кОм в виде результирующего напряжения Up=UKс=UR1/Rвх. При этом максимальная Up (например, Up=5 В) не превышает граничные значения +Uос и -Uoc, установленные цепью 6 пороговой обратной связи. Соответственно, ШИМ сигнал, формируемый ШИП 1, обеспечивает модуляцию длительности импульсов управления КУМ 2 из условия пропорциональности низкочастотной составляющей модулированного импульсного напряжения Uн пропорционально текущим значениям сигнала Up:In the nominal operating mode, the input signal U through the adder 5 is supplied without level limitation to the input power supply 1 with input resistance Rin =10 kOhm in the form of the resulting voltage U p =UK s =UR 1 / Rin . In this case, the maximum U p (for example, U p =5 V) does not exceed the limit values +U oc and -U oc set by the threshold feedback circuit 6. Accordingly, the PWM signal generated by PWM 1 provides modulation of the duration of the control pulses of KUM 2 from the condition that the low-frequency component of the modulated pulse voltage U n is proportional to the current values of the signal U p :

Uн(t) = Up(t)K0 = UKсK0,U n (t) = U p (t)K 0 = UK with K 0 ,

где K0=E/Uпм - коэффициент усиления КУМ 2 при напряжении электропитания ±Е.where K 0 =E/U pm is the gain of KUM 2 at the power supply voltage ±E.

Далее модулированное импульсное напряжение поступает через дроссель с индуктивностью Lф в составе КУМ 2 и датчик 3 тока в шину нагрузки с существенной емкостной составляющей Сф. В результате появления ВЧ составляющих импульсного напряжения LC ФНЧ второго порядка на нагрузке появляется НЧ напряжение Uн с весьма незначительными составляющими высокочастотного импульсного преобразования. Так при собственной частоте среза фильтра При этом обеспечение заданного отношения частот Ω00 при преимущественно емкостной нагрузке обуславливает изменение индуктивности Lф, что соответствует значительным ВЧ составляющим тока дросселя, достигающего 0,1 - 0,3 от номинального уровня низкочастотного тока нагрузки. Здесь следует отметить, что именно указанное обстоятельство ограничивает глубину ОС по выходному току в устройстве-прототипе.Next, the modulated pulse voltage is supplied through a choke with inductance L f as part of KUM 2 and current sensor 3 into the load bus with a significant capacitive component C f . As a result of the appearance of high-frequency components of the pulse voltage LC low-pass filter of the second order, a low-frequency voltage U n appears on the load with very insignificant components of high-frequency pulse conversion. So, at the natural cutoff frequency of the filter At the same time, ensuring a given frequency ratio Ω 00 with a predominantly capacitive load causes a change in inductance L f , which corresponds to significant HF components of the inductor current, reaching 0.1 - 0.3 of the rated level of low-frequency load current. It should be noted here that it is precisely this circumstance that limits the depth of the feedback current in the prototype device.

В режиме перегрузки, связанном с уменьшением нагрузки, либо переходными процессами при усилении сложных сигналов, в предлагаемом канале низкочастотного ключевого усиления выходной сигнал датчика 3 тока, поступающий через выпрямитель 7 и RC цепь 8 на вход цепи 4 превышает установленное граничное значение Uо. В результате уровни +Uос и -Uoc понижаются и ограничивают амплитуду отрицательной и положительной полуволн результирующего напряжения Up, что в свою очередь приводит к уменьшению амплитуды НЧ-составляющей Uн модулированного импульсного напряжения и ограничивает максимальное значение тока нагрузки. Таким образом, достигается пороговая обратная связь в предлагаемом канале НЧ ключевого усилителя. Следует отметить, что амплитудное значение сигнала UΔt=|Uт| фиксируется амплитудным детектором, выполненном на выпрямителе 6 и RC цепи 7 на постоянную времени τ=RC. При этом граничные значения +Uос и -Uoc практически не имеют ВЧ составляющих, чем достигается глубина ОС по ограничению выходного тока более чем на 30 дБ.In overload mode associated with load reduction or transient processes when amplifying complex signals, in the proposed low-frequency key amplification channel, the output signal of current sensor 3, supplied through rectifier 7 and RC circuit 8 to the input of circuit 4, exceeds the set limit value U o . As a result, the levels +U oc and -U oc are reduced and limit the amplitude of the negative and positive half-waves of the resulting voltage U p , which in turn leads to a decrease in the amplitude of the low-frequency component U n of the modulated pulse voltage and limits the maximum value of the load current. Thus, threshold feedback is achieved in the proposed LF channel of the key amplifier. It should be noted that the amplitude value of the signal U Δt =|U t | is recorded by an amplitude detector made on the rectifier 6 and RC circuit 7 at the time constant τ=RC. In this case, the boundary values +U oc and -U oc have practically no HF components, which achieves a depth of feedback in limiting the output current of more than 30 dB.

При устранении режима перегрузки через установленный временной интервал tв ≈ (2 - 3)τ направление на входе цепи 4 пороговой обратной связи понижается за пороговый уровень Uо, что приводит к понижению границ ограничения +Uос и -Uoc до номинальных значений. В результате устраняется ограничение сигнала Up, чем обеспечивается переход канала НЧ ключевого усиления в номинальный режим работы.When the overload mode is eliminated after a set time interval t in ≈ (2 - 3)τ, the direction at the input of the threshold feedback circuit 4 is reduced beyond the threshold level U o , which leads to a decrease in the limitation limits +U o c and -U o c to nominal values. As a result, the limitation of the signal U p is eliminated, which ensures the transition of the LF key amplification channel to the nominal operating mode.

Таким образом, в заявленном устройстве обеспечивается ограничение выходного тока при перегрузке с глубиной более 30 дБ, что более чем в два раза уменьшает превышение максимальной амплитуды выходного тока установленного номинального значения по сравнению с устройством-прототипом. При этом ограничение формы выходного НЧ напряжения, соответствующее режиму перегрузки связано с минимальными гармоническими напряжениями (не более 10%) по сравнению с устройством-прототипом, где искажения при существенно емкостной составляющей нагрузки могут превышать 30%.Thus, the claimed device ensures that the output current is limited during an overload with a depth of more than 30 dB, which more than halves the maximum amplitude of the output current exceeding the established nominal value compared to the prototype device. At the same time, the limitation of the shape of the output LF voltage corresponding to the overload mode is associated with minimal harmonic voltages (no more than 10%) compared to the prototype device, where distortion with a significantly capacitive component of the load can exceed 30%.

В результате предлагаемое решение позволяет существенно повысить надежность работы гидроакустических излучающих трактов режимов ГЛ и СВ при исключении срывов циклов излучения сложных сигналов в условиях изменения нагрузки в широких пределах.As a result, the proposed solution makes it possible to significantly increase the reliability of the operation of hydroacoustic emitting paths in the GL and SV modes while eliminating disruptions in the emission cycles of complex signals under conditions of load changes within wide limits.

На предприятии разработан экспериментальный образец заявленного канала НЧ ключевого усилителя, результаты работы которого подтвердили его преимущества по сравнению с техническими аналогами, реализующими техническое решение на основе канала НЧ ключевого усилителя - прототипа. По результатам экспериментальной апробации предложено внедрение предлагаемого технического решения в новых разработках приборов генераторных устройств гидроакустических станций.The company has developed an experimental sample of the claimed low-frequency channel of the key amplifier, the results of which confirmed its advantages compared to technical analogues that implement a technical solution based on the low-frequency channel of the key amplifier - the prototype. Based on the results of experimental testing, it was proposed to implement the proposed technical solution in new developments of generator devices of hydroacoustic stations.

Claims (1)

Канал низкочастотного ключевого усиления, содержащий сумматор, первый вход которого соединен с шиной входного сигнала, второй вход подключен к выходу цепи пороговой обратной связи, а выход - к входу широтно-импульсного преобразователя, выход которого соединен с выходом ключевого усилителя мощности, подключенного выходом через датчик тока к шине нагрузки, отличающийся тем, что в его состав введены выпрямитель и параллельная RC цепь, включенная между общей шиной и входом пороговой цепи обратной связи, соединенной через выпрямитель с выходом датчика тока, при этом цепь обратной связи содержит первый и второй операционные усилители, причем инверсный вход первого операционного усилителя соединен с прямым входом второго операционного усилителя и подключен к входу пороговой цепи обратной связи, а прямой вход первого операционного усилителя соединен с инверсным входом второго операционного усилителя и подключен к шине опорного напряжения, при этом выходы первого и второго операционных усилителей соответственно через диоды положительной и отрицательной проводимости подключены параллельно к выходу цепи пороговой обратной связи.A low-frequency key amplification channel containing an adder, the first input of which is connected to the input signal bus, the second input is connected to the output of the threshold feedback circuit, and the output is connected to the input of a pulse-width converter, the output of which is connected to the output of a key power amplifier connected by the output through the sensor current to the load bus, characterized in that it includes a rectifier and a parallel RC circuit connected between the common bus and the input of the threshold feedback circuit connected through the rectifier to the output of the current sensor, while the feedback circuit contains the first and second operational amplifiers, wherein the inverse input of the first operational amplifier is connected to the direct input of the second operational amplifier and connected to the input of the threshold feedback circuit, and the direct input of the first operational amplifier is connected to the inverse input of the second operational amplifier and connected to the reference voltage bus, wherein the outputs of the first and second operational amplifiers respectively, through diodes of positive and negative conductivity, they are connected in parallel to the output of the threshold feedback circuit.
RU2023112561A 2023-05-15 Low frequency key amplification channel RU2816509C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816509C1 true RU2816509C1 (en) 2024-04-01

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573229C1 (en) * 2014-12-15 2016-01-20 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Key power amplifier module
RU2574813C1 (en) * 2014-12-15 2016-02-10 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Multichannel amplifier of d class
RU2716041C1 (en) * 2018-10-30 2020-03-05 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Module of high-voltage key amplifier
US20220045655A1 (en) * 2020-08-10 2022-02-10 Elite Semiconductor Microelectronics Technology Inc. Class-d amplifier which can suppress differential mode power noise

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2573229C1 (en) * 2014-12-15 2016-01-20 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Key power amplifier module
RU2574813C1 (en) * 2014-12-15 2016-02-10 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Multichannel amplifier of d class
RU2716041C1 (en) * 2018-10-30 2020-03-05 Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз" Module of high-voltage key amplifier
US20220045655A1 (en) * 2020-08-10 2022-02-10 Elite Semiconductor Microelectronics Technology Inc. Class-d amplifier which can suppress differential mode power noise

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1185786C (en) Amplifier circuit
US7151818B1 (en) X-Ray tube driver using AM and FM modulation
US8705767B2 (en) Electrostatic speaker system
US20180278176A1 (en) Power conversion device
JPH02177606A (en) Pulse width modulating amplification circuit
RU2816509C1 (en) Low frequency key amplification channel
US11218069B2 (en) Power conversion device
US6963189B2 (en) Attenuation control for digital power converters
US5422599A (en) Single-ended, transformer coupled audio amplifiers
US20140333375A1 (en) Method and circuit for driving a switch-mode amplifier array
JPS6157733B2 (en)
RU2723463C1 (en) Transmitting path for excitation of hydroacoustic antenna
US10469042B1 (en) Audio amplifier circuit
RU2526280C1 (en) Abd hydroacoustic amplifier
RU2780661C1 (en) Class d amplifier for excitation of a low-frequency hydroacoustic transducer
RU2188498C1 (en) Class d dual-channel amplifier
RU2794346C1 (en) Class d amplifier
WO2007083416A1 (en) Harmonic suppressing circuit
RU2795793C1 (en) Class d amplifier with parametric control
US10483914B2 (en) Very high fidelity audio amplifier
RU2810649C1 (en) Key stabilized converter
RU2032981C1 (en) Amplifier with pulse-duration modulation
JPH05160649A (en) Audio output protecting circuit
US1800372A (en) Frequency-translating circuit
CN111200404A (en) Linearity improving system and linearity improving method