Комутаційний підсилювач потужності

Реферат: Винахід належить до електронної техніки і може бути використаний в аудіосистемах тощо. Комутаційний підсилювач потужності містить комутаційний каскад, вихід якого є виходом підсилювача, та логічний пристрій, вхід якого є входом підсилювача, його аналогового сигналу. Два виходи логічного пристрою, його імпульсно-модульованих сигналів, поодинці підключені до першого та другого входів комутаційного каскаду. При цьому два виходи логічного пристрою є виходами імпульсно-модульованих сигналів, які є пропорційними, на одному з виходів позитивній, на іншому - негативній, складовим зміщеного сигналу, який є сумою позитивних та негативних значень, відповідно, суми та різниці. Підсилювач характеризується низькими нелінійними спотвореннями для малих сигналів та має високий коефіцієнт корисної дії. UA 98994 C2 (12) UA 98994 C2 UA 98994 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електронної техніки, а саме, до комутаційних підсилювачів потужності, що використовуються в аудіосистемах (підсилювачі класу D) та інших системах. Комутаційний підсилювач, що заявляється, має аналоги, від яких він відрізняється більш високою досконалістю. Перший аналог описаний в Data Sheet фірми Maxim Integrated Products (США): [1] Windows Vista-Compliant, Stereo Class AB Speaker Amplifiers and Direct Drive Headphone Amplifiers: MAX9789/MAX9790 (19-0606, Rev. 2, 8/08), www.maxim-ic.com. В [1] описаний аналоговий аудіопідсилювач класу АВ, що є більш економічним, ніж підсилювач класу А, та з меншими нелінійними спотвореннями (особливо для малого сигналу), ніж у підсилювачів класів В та D. Недоліком першого аналога, як підсилювача класу АВ, є менша економічність, ніж підсилювача класу D. Другий аналог описаний в: [2] Analog Devices' Preliminary Technical Data: Filterless High Efficiency Mono 3 W Class-D Audio Amplifier SSM2375 (Rev. PrC, 3/10), www.analog.com. Він є підсилювачем класу D, вихідний сигнал якого подібний до сигналу підсилювача класу В. Тому він має високу економічність та низькі нелінійні спотворення для великих сигналів. Щодо малих сигналів, то їхні нелінійні спотворення, як і в інших підсилювачах класу D, збільшуються, що є недоліком другого аналога. Для забезпечення роботи підсилювача, згідно з особливістю комутаційного каскаду, його імпульсно-модульовані сигнали містять допоміжні імпульси, що є ускладненням та, відповідно, другим недоліком підсилювача. Третій аналог описаний в: [3] Голуб В.С. Комутаційний підсилювач потужності. Патент України №44740 U, H03F 3/20, Бюлетень №19 від 12 жовтня 2009 р. Він теж є підсилювачем класу D, вихідний сигнал якого подібний до сигналу підсилювача класу В. В ньому немає другого недоліку другого аналога, але перший недолік (підвищене спотворення малих сигналів) залишається. Четвертим аналогом, згідно з патентом [4], є мостовий комутаційний каскад з двома керуючими (інформаційними) входами. Його навантаження - з середнім виводом. Він вказаний як аналог, бо його технічне рішення буде використане в залежному пункті формули. Патентом є: [4] Голуб В.С. Мостовий комутаційний каскад. Патент України №44739 U, H03F 3/20, Бюлетень №19 від 12 жовтня 2009 р. П'ятим аналогом, за тим самим патентом [4], є мостовий комутаційний каскад з чотирма керуючими входами, два з яких є інформаційними, а два - опорними. Навантаження його звичайне, без середнього виводу. Він теж вказаний як аналог, бо його технічне рішення буде використане в залежному пункті формули. В зв'язку з недоліками перших трьох аналогів поставлено задачу - запропонувати такий комутаційний підсилювач потужності, який мав би, по-перше, низькі нелінійні спотворення для малих сигналів, як аналоговий підсилювач класу АВ (перший аналог), та, по-друге, - високу економічність, як комутаційний підсилювач класу D (другий та третій аналоги). Прототипом вибрано третій аналог, що є найближчим до підсилювача, який заявляється. Для виконання поставленої задачі запропонована нова структура сигналів, що керують вихідними каскадами, та, відповідно, змінена схема самого підсилювача, що забезпечує дію цих сигналів. Зміненим (новим) є логічний пристрій, зокрема модулятор (запропонований чотириканальний модулятор зі зміщенням між аналоговим сигналом, що модулює, та опорним коливанням) та інші кола, що формують сигнали для керування вихідними каскадами. Крім того, використані (в залежних пунктах) вихідні комутаційні каскади, що вказані як четвертий та п'ятий аналоги. Пропонується: 1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить комутаційний каскад, вихід якого є виходом підсилювача, та логічний пристрій, вхід якого є входом підсилювача, його аналогового сигналу, а два виходи логічного пристрою, його імпульсно-модульованих сигналів, поодинці підключені до першого та другого входів комутаційного каскаду, який відрізняється тим, що імпульсно-модульовані сигнали на виходах логічного пристрою є пропорційними, на одному з виходів - позитивній, на іншому - негативній, складовим зміщеного сигналу, який є сумою позитивних та негативних значень, відповідно, суми та різниці uвх(t)+Eзм, uвх(t)-Eзм, де uвх(t) - аналоговий сигнал на вході, а Езм - напруга зміщення. 1 UA 98994 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що позитивною та негативною складовими зміщеного сигналу є, відповідно, позитивні та негативні значення суми та різниці uвх(t)+Eзм, uвх(t)-Eзм, 3. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що логічний пристрій містить модулятор з чотирма компараторами, та два, перший та другий, кола збіжності, входи компараторів є входом пристрою, його аналогового сигналу u вх(t), та підключені до джерел опорного коливання uоп(t) та зміщення Езм, які є в співвідношеннях uвх(t)+uоп(t)+Езм, uвх(t)-uоп(t)+Езм, -uвх(t)+uоп(t)+Езм, -uвх(t)-uоп(t)+Езм - щодо першого, другого, третього та четвертого компараторів, обидва входи першого кола збіжності підключені поодинці до виходів першого та другого компараторів, обидва входи другого кола збіжності підключені поодинці до виходів третього та четвертого компараторів, а виходи кіл збіжності є першим та другим виходами логічного пристрою. 4. Комутаційний підсилювач потужності за п. 3, який відрізняється тим, що в логічному пристрої перші, позитивні, входи першого, другого, третього та четвертого компараторів є, відповідно, входами uвх(t), uвх(t), -uвх(t), -uвх(t), другі, негативні, входи компараторів є, відповідно, входами uоп(t)-Езм, -uоп(t)-Езм, uоп(t)-Езм, -uоп(t)-Езм, входи кіл збіжності підключені до перших, позитивних, виходів компараторів. 5. Комутаційний підсилювач потужності за п. 3 або 4, який відрізняється тим, що логічний пристрій додатково містить третій та четвертий кола збіжності, перші входи яких поодинці підключені до виходів першого та другого кіл збіжності, а другі входи, через інвертори, - до виходів, відповідно, другого та першого кіл збіжності, виходи третього та четвертого кіл збіжності є третім та четвертим виходами логічного пристрою. 6. Комутаційний підсилювач потужності за п. 5, який відрізняється тим, що логічний пристрій додатково містить коло типу RS-тригера, два входи якого поодинці підключені до виходів третього та четвертого кіл збіжності, а виходи кола, прямий та інвертований, є додатковими, п'ятим та шостим, виходами логічного пристрою. 7. Комутаційний підсилювач потужності за п. 3 або 4, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад з виходом до двосекційного навантаження, перший та другий входи якого підключені до першого та другого виходів логічного пристрою, відповідно. 8. Комутаційний підсилювач потужності за п. 5, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад з виходом до двосекційного навантаження, перший та другий входи якого підключені до третього та четвертого виходів логічного пристрою, відповідно. 9. Комутаційний підсилювач потужності за п. 6, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад з виходом до односекційного навантаження, перший та другий входи якого підключені до третього та четвертого виходів логічного пристрою, а третій та четвертий - до додаткових, п'ятого та шостого, виходів логічного пристрою, відповідно. 10. Комутаційний підсилювач потужності за пп. 1,…, 8 або 9, який відрізняється тим, що напруга зміщення Езм є предметом регулювання. Перший пункт є основним. Згідно з ним, забезпечується режим підсилювання, який відповідає не тільки комутаційному режиму класу D, а також й аналоговому режиму класу АВ. Перший із режимів забезпечує високий ККД (коефіцієнт корисної дії) підсилювача, другий низькі нелінійні спотворення сигналу, в тому числі - для малого сигналу. Про комутаційний підсилювач, що заявляється, можна сказати, що в ньому реалізується аналоговий сигнал класу АВ в комутаційному режимі підсилювання класу D. Пункт 1 є тому, що не тільки сигнал за п. 2 забезпечує керування комутаційним каскадом. Другим таким є сигнал за п. 5. Пункт 1 є загальним для обох сигналів, що відповідають пунктам 2 та 5. Ці сигнали показані нижче, на Фіг.2, за номерами 19, 20 (перший сигнал) та 23, 24 (другий сигнал), а також на Фіг.7 та 8 (за номерами 43 та 46). В пункті 3: uвх(t), -uвх(t), та uоп(t), -uоп(t) є змінними напругами, тому знак "-" є відносним. Важливим є те, що -uвх(t) та -uоп(t) є в протифазі до uвх(t) та uоп(t). Щодо напруги зміщення Езм, то вона може бути як позитивною, так і негативною. На Фіг.2 вона показана позитивною, що діє між аналоговим сигналом та опорним (трикутним) коливанням. Щодо пп. 3 та 4: логічний пристрій за п. 3 є загальним для підсилювача, а пристрій за п. 4 однією з його конкретизацій. Можливі й інші комбінації uвх(t), -uвх(t) та uoп(t), -uoп(t) з Езм або - Езм, обумовлені їх відповідним підключенням до компараторів, причому з урахуванням вибору 2 UA 98994 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 позитивних чи негативних виходів останніх, а також позитивних чи негативних виходів кіл збіжності. Але всі інші конкретизації, як і за п. 4, повинні відповідати вимогам, вказаним в п. 3. Прикладом іншого підключення може бути таке. Перші входи першого та третього компараторів - це uвх(t), а другого та четвертого - це -uвх(t). Другі входи першого та четвертого компараторів - це uoп(t)+Езм, а другого та третього - це uoп(t)-Езм Перше коло збіжності підключене до першого (позитивного) виходу третього компаратора та до другого (негативного) виходу четвертого компаратора, а друге коло збіжності - до першого (позитивного) виходу другого компаратора та до другого (негативного) виходу першого компаратора. Напруга зміщення може подаватися не тільки в сумі з uon(t) та -uon(t), а також в сумі з uвх(t) та -uвх(t). Головне, щоб вибір знаків, позитивних або негативних, сигналу, опорного коливання та зміщення, їх підключення до компараторів та саме підключення компараторів, з інвертуванням на вході або на виході або без нього, відповідали вимогам п. 3. За п. 10 напруга зміщення Езм може регулюватися. При цьому може бути вибраний найбільш оптимальний режим роботи підсилювача в залежності від сигналу. Крім того, за Е зм=0 режим роботи підсилювача відповідає класу В, а коли Езм дорівнює або більша, ніж амплітуда аналогового сигналу, це буде режим класу А. Тобто підсилювач, що заявляється, є універсальним. В залежності від Езм, один і той комутаційний підсилювач класу D може відповідати аналоговим класам як А, В, так і АВ, причому з різними Е зм для класу АВ. Водночас з Езм може регулюватися й загальне підсилення, бо вибір режиму впливає на амплітуду вихідного сигналу. За пп. 7, 8, 9 показане використання комутаційних каскадів, які є четвертим та п'ятим аналогами. Але підсилювач, що є за п. 5, може бути використаний також із звичайним мостовим чи напівмостовим комутаційним каскадом, причому як з фільтром, так і без нього. При цьому сигнал (з третього та четвертого виходів логічного пристрою) може бути доповнений (для звичайного каскаду) іншими імпульсами, згідно, наприклад, із другим аналогом. Перелік фігур (з їх описом): Фіг.1. На фігурі показана схема логічного пристрою. 1, 2, 3 та 4 - це перші (позитивні) входи компараторів, 5, 6, 7 та 8 - другі (негативні) входи. 9, 10, 11 та 12 - це самі компаратори, а 13, 14, 15 та 16 - узагальнені виходи, що можуть бути як першими (позитивними), так і другими (негативними). 17 та 18 - це кола збіжності, а 19 та 20 - їх виходи, що є першим та другим виходами логічного пристрою. 21 та 22 - це третій та четвертий (за п. 5) кола збіжності, а 23 та 24 - це їх виходи, що є третім та четвертим виходами логічного пристрою. 25 - це коло типу RSтригера, а 26 та 27 - це його протифазні виходи, що є додатковими, п'ятим та шостим, виходами логічного пристрою. Елементи 21, 22 та 25 показані штриховими лініями, бо належать до логічного пристрою додатково, згідно з пунктами 5 та 6. Фіг.2. На фігурі показані епюри напруг, що діють в логічному пристрої, причому за тими ж номерами, якими позначені місця, де вони є, на схемах логічного пристрою (Фіг.1), а також комутаційних каскадів (Фіг.3, 4 та 5, 6). За номерами 1, 2 та 3, 4 показаний вхідний аналоговий сигнал, що є з двома протилежними значеннями фази (згідно з пп. 3 та 4). За номерами 5, 6, 7 та 8 показане опорне коливання трикутної форми, теж з двома протилежними значеннями фази, а також зі зміщенням між трикутним коливанням та сигналом, яке видно на епюрах 5, 6, 7 та 8. Сигнал додатково показаний тонкими лініями на епюрах 5, 6, 7 та 8. За номерами 13, 14, 15 та 16 показані імпульсно-модульовані сигнали, що є на виходах компараторів, які виконують функції широтно-імпульсних модуляторів, а за номерами 19 та 20 - вихідні імпульси першого та другого кіл збіжності, що є першим та другим вихідними сигналами логічного пристрою. Крім того, за номерами 23 та 24 показані сигнали третього та четвертого виходів логічного пристрою, а за номерами 26 та 27 - імпульси кола типу RS-тригера, що є імпульсами п'ятого та шостого виходів логічного пристрою. На Фіг.2 показаний також сигнал за номером 28, що є вихідним (на навантаженні) сигналом комутаційного каскаду (Фіг.3, 4 та 5, 6). Він є підсиленим сигналом каскаду, що є відфільтрованою різницею сигналів 19 та 20 або 23 та 24. Для спрощення він показаний без фазової затримки, обумовленої фільтрацією. Фіг.3. На фігурі показаний комутаційний каскад, що відповідає пп. 6 та 7, що приведені вище. Драйвери, що включаються між логічним пристроєм та комутаційним каскадом, не показані, бо не є предметом заявки. Комутаційний каскад має дві однакові секції, що пов'язані загальним навантаженням 37 з середнім виводом. Навантаження не є частиною каскаду. Це зовнішній елемент, наприклад, гучномовець. Останній може мати одну секцію (обмотку) з середнім виводом, або дві ізольовані, що включаються зовні за схемою на Фіг.3. 3 UA 98994 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 29 та 30 - це комутаційні елементи, що, в більшості, є транзисторами й керуються сигналами 19 та 20 або 23 та 24. За номерами 31, 32, 33, 34, 35 та 36 - це діоди, дроселі та конденсатори фільтра. Навантаження 37 (гучномовець) є зовнішнім. На ньому виділяється сигнал, що є підсиленим та відфільтрованим. Цей сигнал показаний за номером 28 на Фіг.2. Фільтри можуть бути відсутніми. 38 - це напруга джерела живлення. Фіг.4. На фігурі показаний комутаційний каскад, що відповідає каскаду на Фіг.3, але має інше, по відношенню до джерела живлення 38, підключення. Комутаційні елементи 29 та 30, наприклад, на Фіг.4 з'єднані з "земляною" шиною, тоді як на Фіг.3 - з шиною живлення. Інші елементи теж мають змінене підключення. Фіг.5. На фігурі показаний комутаційний каскад, що відповідає п. 8, приведеному вище. Драйвери, як і за Фіг.3 та 4, не показані. Комутаційний каскад має два додаткових комутуючих елементи 39 та 40, що з'єднані з п'ятим та шостим виходами логічного пристрою. Щодо елементів 29 та 30, то вони з'єднані з третім та четвертим виходами логічного пристрою. Фіг.6. На фігурі показаний комутаційний каскад, що відповідає каскаду на Фіг.5, але має, як і каскад на Фіг.4, інше по відношенню до джерела живлення 38, підключення. Фіг.7. Показані результати моделювання комутаційного підсилювача. За номером 43 - це сигнали логічного пристрою, які відповідають сигналам 19 та 20 на Фіг.2. За номером 44 - це ті самі сигнали, але зі збільшеним масштабом часу, а за номером 45 - це вихідний сигнал (на навантаженні), який відповідає сигналу 28 на Фіг.2. Фігура приведена як додаткова й може бути виключена з опису. Фіг.8. Це теж результати моделювання комутаційного підсилювача. За номером 46 - це сигнали логічного пристрою, які відповідають сигналам 23 та 24 на Фіг.2. За номером 47 - це теж ті самі сигнали, але зі збільшеним масштабом часу, а за номером 48 - вихідний сигнал (на навантаженні), який теж відповідає сигналу 28 на Фіг.2. Фігура приведена як додаткова й може бути виключена з опису. Введення в модуляторі зміщення між вхідним сигналом та опорним коливанням забезпечує сигналу класу D позитивні властивості сигналу класу АВ. Це - основне (Фіг.1 та 2). По-друге - це використання комутаційного каскаду (Фіг.3 та 4), що сприймає послідовності імпульсів 19 та 20, які мають перекриття за часом (що є відповідним до сигналу класу АВ). По-третє, це скорочення послідовностей імпульсів, які показані за номерами 23 та 24, щоб уникнути вказаного перекриття та набути можливість використати комутаційний каскад (Фіг.5 та 6) із звичайним навантаженням (з двома виводами, без середнього виводу). При вказаному скороченні імпульсів можливо використання також звичайних мостових чи напівмостових каскадів. За результатом, комутаційний підсилювач, що заявляється, має високий ККД (коефіцієнт корисної дії), обумовлений класом D, та характеризується низькими нелінійними спотвореннями для малих сигналів, що обумовлено класом АВ. Комутаційний підсилювач, що заявляється, має позитивні властивості обох підсилювачів - класів D та АВ (а також класів D та В, якщо Езм=0). Сумісне використання класів D та В є відомим, але йдеться про те, що воно може бути реалізованим в одному підсилювачі з новим режимом класів D та АВ. Можливість здійснення комутаційного підсилювача потужності, що заявляється, підтверджується, по-перше, приведеним аналізом та, по-друге, проведеним моделюванням. Останнє було здійснене на комп'ютері за допомогою програми "NI Multisim 10.1". Епюри сигналів змодельованого підсилювача показані на Фіг.7 та 8. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить комутаційний каскад, вихід якого є виходом підсилювача, та логічний пристрій, вхід якого є входом підсилювача, його аналогового сигналу, а два виходи логічного пристрою, його імпульсно-модульованих сигналів, поодинці підключені до першого та другого входів комутаційного каскаду, який відрізняється тим, що два виходи логічного пристрою є виходами імпульсно-модульованих сигналів, які є пропорційними, на одному з виходів - позитивній, на іншому - негативній, складовим зміщеного сигналу, який є сумою позитивних та негативних значень, відповідно, суми та різниці uвх(t)+Eзм, uвх(t)-Eзм, де uвх(t) - аналоговий сигнал на вході, а Езм - напруга зміщення. 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій містить модулятор з чотирма компараторами та два, перше та друге, кола збіжності, входи компараторів є входом пристрою, його аналогового сигналу uвх(t), підключені до джерел опорного коливання uоп(t) та зміщення Езм, які є в співвідношеннях 4 UA 98994 C2 5 10 15 20 25 30 uвх(t)+uоп(t)+Езм, uвх(t)-uоп(t)+Езм, -uвх(t)+uоп(t)+Езм, -uвх(t)-uоп(t)+Езм щодо першого, другого, третього та четвертого компараторів, обидва входи першого кола збіжності підключені поодинці до виходів першого та другого компараторів, обидва входи другого кола збіжності підключені поодинці до виходів третього та четвертого компараторів, а виходи кіл збіжності є першим та другим виходами логічного пристрою. 3. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, який відрізняється тим, що в логічному пристрої перші, позитивні, входи першого, другого, третього та четвертого компараторів є, відповідно, входами uвх(t), uвх(t), -uвх(t), -uвх(t), другі, негативні, входи компараторів є, відповідно, входами uоп(t)-Езм, -uоп(t)-Езм, uоп(t)-Езм, -uоп(t)-Езм, входи кіл збіжності підключені до перших, позитивних, виходів компараторів. 4. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що логічний пристрій додатково містить третє та четверте кола збіжності, перші входи яких поодинці підключені до виходів першого та другого кіл збіжності, а другі входи, через інвертори, - до виходів, відповідно, другого та першого кіл збіжності, виходи третього та четвертого кіл збіжності є третім та четвертим виходами логічного пристрою. 5. Комутаційний підсилювач потужності за п. 4, який відрізняється тим, що логічний пристрій додатково містить коло типу RS-тригера, два входи якого поодинці підключені до виходів третього та четвертого кіл збіжності, а виходи кола, прямий та інвертований, є додатковими, п'ятим та шостим, виходами логічного пристрою. 6. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад з виходом до двосекційного навантаження, перший та другий входи якого підключені до першого та другого виходів логічного пристрою, відповідно. 7. Комутаційний підсилювач потужності за п. 4, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад з виходом до двосекційного навантаження, перший та другий входи якого підключені до третього та четвертого виходів логічного пристрою, відповідно. 8. Комутаційний підсилювач потужності за п. 5, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад з виходом до односекційного навантаження, перший та другий входи якого підключені до третього та четвертого виходів логічного пристрою, а третій та четвертий - до додаткових, п'ятого та шостого, виходів логічного пристрою, відповідно. 9. Комутаційний підсилювач потужності за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що він виконаний з можливістю регулювання напруги зміщення Езм. 5 UA 98994 C2 6 UA 98994 C2 7 UA 98994 C2 Комп’ютерна верстка А. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8