Комутаційний підсилювач потужності

1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить напівміст із двох послідовно включених комутаційних елементів, вихід якого, що є точкою з'єднання елементів, є виводом підсилювача, та два входи для підключення джерел протифазно імпульсно-модульованих сигналів, який відрізняється тим, що додатково містить логічний пристрій, з двома входами, що є вказаними входами підсилювача, та двома виходами, сигнали яких є пропорційними, один - позитивним, другий - негативним, значенням аналогового сигналу модуляції, перший із виходів підключений до входу першого комутаційного елемента, другий - до входу другого комутаційного елемента. 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить другий напівміст, вхід першого комутаційного елемента якого підключений до другого виходу логічного пристрою, вхід другого комутаційного елемента - до першого виходу логічного пристрою, а U 2 (19) 1 3 41372 4 (підсилювач класу D), причому з можливістю вико[2. Texas Instruments' Data Sheet: TPA3124D2 ристання як одного, так і двох напівмостів, в якому 15-W Stereo Class-D Audio Power Amplifier, May не було б шкідливих наскрізних імпульсів струму 2008 (www.ti.com)]. (не було зовсім), а імпульси напруги на виході підДругий аналог відрізняється від першого тим, силювача були б спрощеними, що відповідали б що обидва транзистори напівмоста є одного типу провідності, один з яких керується інвертованим тільки Dt(t), без то t0(2). За результатом, усе це сигналом імпульсної модуляції. суттєво підвищило б ККД підсилювача, а також Недолік другого аналога такий, як і першого. зменшило б спотворення його сигналу. Третій аналог описаний в [1], с. 59, рис. 1 ,б, а Для виконання поставленої задачі змінено також в: коло керування на вході напівмостів комутаційного [3. Texas Instruments’ Data Sheet: TPA3107D2 підсилювача та введено логічний пристрій для 15-W Stereo Class-D Audio Power Amplifier, July формування сигналу для його керування. 2007 (www.ti.com)]. Прототипом обрано четвертий аналог, що є Третій аналог відрізняється від першого та найближчим до корисної моделі. За результатом другого аналогів тим, що додатково містить ще пропонується: один, другий, напівміст, а навантаження підключе1. Комутаційний підсилювач потужності, що міне між двома напівмостами. Два напівмости - це стить напівміст із двох послідовно включених коодин міст. Один з напівмостів підключений своїм мутаційних елементів, вихід якого, що є точкою входом до виходу модулятора через інвертуюче з'єднання елементів, є виводом підсилювача, та коло, еквівалентом якого є логічний елемент "НІ". два входи для підключення джерел протифазно Міст (два напівмости) дає можливість викорисімпульсно-модульованих сигналів, який відрізнятати джерело живлення з в два рази меншою нається тим, що додатково містить логічний пристрій, пругою, ніж для підсилювача з одним напівмостом. з двома входами, що є вказаними входами підсиАле при цьому в підсилювачі вдвічі збільшується лювача, та двома виходами, сигнали яких є прокількість шкідливих наскрізних імпульсів струму (в порційними, один - позитивним, другий - негативдвох напівмостах). ним, значенням аналогового сигналу модуляції, Останнє є недоліком третього аналога. За неперший із виходів підключений до входу першого доліком додатково зменшується ККД підсилювача. комутаційного елемента, другий - до входу другого Четвертий аналог описаний в [3], а також в: комутаційного елемента. [4. Безверхний И.Б. Микросхемы УМЗЧ для 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, мобильных (носимых) и автомобильных применеякий відрізняється тим, що додатково містить друний // Электронные компоненты - Украина, 2008, гий напівміст, вхід першого комутаційного елемен№ 1/2, с.75-88]. та якого підключений до другого виходу логічного Перш ніж описувати четвертий аналог, подипристрою, вхід другого комутаційного елемента вимось, що являє собою керуючий сигнал імпульдо першого виходу логічного пристрою, а вихід сної модуляції, в даному разі, ШІМ. При відсутності другого напівмоста є другим виводом підсилювамодуляції ШІМ сигнал - це послідовність прямокуча. тних імпульсів, тривалість яких, що дорівнює три3. Комутаційний підсилювач потужності за пп. валості проміжків між ними, є 1 або 2, який відрізняється тим, що його логічний (1) пристрій містить коло підсумовування за модулем t0 = 1/2fд, 2, входи якого є входами пристрою, і два кола типу де fд - частота дискретизації, що є частою слі"схема збіжності", які одними входами підключені дування ШІМ імпульсів. Це так зване несуче прядо різних входів пристрою, другими - до виходу мокутне коливання ШІМ сигналу. За модуляцією кола підсумовування, а їх виходи є виходами притривалість імпульсів змінюється: строю. (2) t(t) = t0 + Dt(t), 4. Комутаційний підсилювач потужності за пп. де t0 - згідно з (1), а Dt(t) - змінення, пропор1, 2 або 3, який відрізняється тим, що комутаційційне модулюючому сигналу. ними елементами є транзистори одного типу проЧетвертий аналог є мостовим. Він відрізняєтьвідності, причому витік першого транзистора з'єдся від третього тим, що має на вході кожного з наний зі стоком другого. двох напівмостів свій модулятор ШІМ, причому 5. Комутаційний підсилювач потужності за пп. один з модуляторів підключений до джерела ана1, 2 або 3, який відрізняється тим, що комутаційлогового сигналу через аналоговий інвертор. За ними елементами є транзистори обох типів провірезультатом, якщо в попередніх аналогах вихіддності, причому перший та другий транзистори ними є імпульси з t(t), то в четвертому - тільки з'єднані стоками. Dt(t). Останнє є перевагою над попередніми ана6. Комутаційний підсилювач потужності за п. 5, логами, бо спрощує фільтрацію сигналу на виході який відрізняється тим, що на вході перших транпідсилювача. Але імпульси наскрізного струму зисторів напівмостів включене коло типу "НІ". зберігаються. Вони такі ж, як і у третього аналога. 7. Комутаційний підсилювач потужності за п. 5, Недолік четвертого аналога - це той же недоякий відрізняється тим, що на вході других транзилік третього, а саме - наявність шкідливих наскрізсторів напівмостів включене коло типу "НІ". них імпульсів струму, які зменшують ККД підсилюВ аналогах, з першого до третього, переклювача. Додатковий недолік - неможливість чення комутаційних елементів (транзисторів) одвикористання четвертого аналога в варіанті з одного чи двох напівмостів відбувається згідно з фоним напівмостом. рмулою (1). Транзистори в четвертому аналогу, В зв'язку з викладеним поставлено задачу: защо має два напівмоста, теж комутуються згідно з пропонувати комутаційний підсилювач потужності 5 41372 6 (1). але ж вихідний сигнал підсилювача (між вивояких -- з аналоговим інвертором на вході). Це модами двох напівмостів) відповідає формулі (2). Це жуть бути сигнали широтно-імпульсної (ШІМ) або полегшує фільтрацію на виході, але ж і в четверіншого різновиду імпульсної модуляції. На Фіг.2,б,г тому аналогу транзистори комутуються з паразитпоказані сигнали ШІМ. Ці сигнали в суматорі М2 ними імпульсами наскрізного струму, як і в попе(Фіг.1) перетворюються на сигнал, показаний на редніх аналогах. В підсилювачі, що заявляється, Фіг.2,¶, а потім цей сигнал, разом з вхідними сигкартина інша. Імпульси наскрізного струму в ньому налами, перетворюється в схемах С31 та С32 на відсутні, за результатом чого ККД його вище. вихідні сигнали пристрою, які показані на Фіг.2,е,є. Підсилювач, що заявляється, відрізняється Їх особливістю є те, що перший з них відповідає наявністю спеціального логічного пристрою та зміпозитивним рівням вхідного сигналу (Фіг.2,а), а неною схемою управління напівмостами. В логічдругий - його негативним рівням, і обидва сигнали ному пристрої показані схеми збіжності (в узагаль(Фіг.2,е.є) не накладаються один на одного. І ці неному вигляді). Ними можуть бути логічні сигнали формуються не в комутаційних елеменелементи "І". В цьому разі пристрій характеризутах, як в прототипі, а в логічному пристрої, ще до ється функціями: комутаційних елементів. (3) y1=(x1 Å x2)x1; Фіг.2. На фігурі показані епюри сигналів в колах підсилювача. Сигнали, що належать до моду(4) y2=(x1 Å x2)x2, ляторів та логічного пристрою (Фіг.1), розглянуті де х1, x2 та у1, у2 - його вхідні та вихідні сигнавище. На Фіг.2, ж, з - це сигнали після їх з'єднання ли. Замість елементів "І" можуть бути й елементи (затримка не показана). Показані сигнали є дво"І-НІ", а також один "І", а другий "І-НІ". В цьому разі сторонньої ШІМ, але можуть бути і односторонньої обидві функції або одна з них є інвертованими: ШІМ, без роздвоєння на Фіг.2, е, є. На Фіг.2,іу (5) y1 = ( x1 Å x2 )x1; сигнал в навантаженні, після його підсилювання та фільтрації. (6) y 2 = ( x1 Å x 2 )x2. Фіг.3. На фігурі показана схема підсилювача з Використання елементів "I-НІ" - це еквівалентодним напівмостом, що відповідає п. 1 і містить но використанню елементів "І" з додатком елеменкомутаційні елементи, що є узагальненими. Від тів "НІ". Використання елементів "I-НІ" ("І" плюс схем аналогів вона відрізняється тим, що має ок"НІ") компенсується відповідним використанням ремі входи обох комутаційних елементів, які піделементів "НІ" на входах напівмостів. Функції (3), ключені до двох виходів спеціального логічного (4) є узагальненими, які поширюються також на пристрою. Сигналом першого елемента є показа(5), (6). ний на Фіг.2.е, другого - на Фіг.2,є. Навантаження Елементи "НІ", що включені на входах напівпідключене, наприклад, як і в аналогах з одним мостів, територіальне можуть бути розміщені в напівмостом, через конденсатор (на фігурі не пологічному пристрої, а сам пристрій мати чотири казаний), на якому накопичується напруга, що довиходи - перший та другий після елементів "І", згірівнює половині напруги живлення. За результадно з (3), (4), а також третій та четвертий після том, імпульси, що показані на Фіг.2,е. викликають додаткових елементів "НІ", які, згідно з (5), (6), підструм через навантаження в одному напрямку, а ключені до елементів "І". Замість елементів "НІ" в імпульси, що показані на Фіг.2,є, - в іншому. Коли пристрої можуть бути два елементи "I-НІ", включедіють імпульси одного напрямку, іншого напрямку ні паралельно до двох елементів "І". не діють. В цьому причина того, що через комутаВ зв'язку з подвоєною частотою імпульсного ційні елементі наскрізний струм відсутній. сигналу на виході логічного пристрою, його частоФіг.4. На фігурі показана схема підсилювача з та дискретизації може бути зменшена. Можливо двома напівмостами (тобто з повним мостом), що також з'єднання подвоєних імпульсів або їх безповідповідає п. 2 і містить такі ж комутаційні елеменсереднє отримання з'єднаними, наприклад, в проти, як і на Фіг.3. Другий напівміст теж підключаєтьцесорі, що виконує функції логічного пристрою. ся до двох виходів логічного пристрою, але поПерелік фігур (з їх описом): іншому: перший його комутаційний елемент - до Фіг.1. На фігурі показані структурні схеми придругого виходу пристрою, другий - до першого. строїв "Модулятори" (для унаочнення), що є поза Фіг.5. На фігурі показана схема підсилювача з підсилювачем, який заявляється (тому обведена одним напівмостом, в якій, згідно з п. 5, а також п. штриховою лінією), та "Логічний пристрій", що вка6, показані транзистори, з'єднані стоками, що визаний в відмітній частині п. 1, а також описаний в конують функцію комутаційних елементів. На вході п. 3. На схемах позначені буквами а), б), ... є) міспершого транзистора, на відміну від аналогів. ця, для яких на Фіг.2 показані епюри напруг. включено коло "НІ", вхід якого підключений до лоВ логічному пристрою (Фіг.1) показані: коло гічного пристрою. підсумовування (суматор) за модулем 2 (М2) та дві Фіг.6. На фігурі показана схема підсилювача з схеми збіжності (С31, С32) - згідно з п. 3. Схемами двома напівмостами, такими, як один на Фіг.5. На збіжності, як вже сказано, можуть бути мікросхеми входах перших транзисторів обох напівмостів, як і (МС) типу "І" або "І-НІ". Друга з них - з інверсним на Фіг.5, включені кола "НІ", входи яких підключені виходом. На схемі показана простіша МС, "І", але до логічного пристрою. може бути й друга, "І-НІ", а також обидві різні. Але Фіг.7. На фігурі показана схема підсилювача з всі вони є схемами збіжності, це є головним. одним напівмостом, в якій, як і на Фіг.5, показані До входів логічного пристрою, які є входами транзистори, з'єднані стоками. Але ж на входах підсилювача за п. 1, надходять сигнали імпульсної транзисторів відсутні кола "НІ". Останнє обумовмодуляції, що модульовані протифазно (на Фіг.1, лене тим, що в логічному пристрої одна зі схем С3 для пояснення, показані два модулятори, один з 7 41372 8 (що відповідає інвертованому виходу пристрою, Можливість здійснення винаходу підтверджупозначеному на Фіг.7), є типу "1-НІ". ється, по-перше, приведеним аналізом та, поФіг.8. На фігурі показана схема підсилювача з друге, тим, що його реалізація не потребую нових двома напівмостами, як і на Фіг.6. Але кола "НІ" елементів. Елементи М2 та С3 ("І" або "1-НІ") в включені на входах інших транзисторів обох налогічному пристрої на Фіг.1 - це відомі логічні мікпівмостів. Останнє обумовлене тим, що обидва росхеми. Транзистори та мікросхеми "НІ" на Фіг.5, виходи логічного пристрою є інвертованими (в ... 8 - це теж відомі елементи, що використовуютьпристрої використані обидва елементи "1-НІ"). ся в аналогах. Функції вказаних мікросхем можуть Підкреслимо, що наявність або відсутність виконуватися в процесорах (теж мікросхемах), що елементів "НІ" на вході транзисторів залежить таза останнім часом використовуються в системах кож від типу їх провідності. Це питання, що є загакерування підсилювачами. На вході транзисторів, льним як для аналогів, так і для підсилювача, що як більш високовольтних елементів, можуть бути, заявляється. Залежить воно також і від того, чи є як і у аналогів, кола для узгодження за напругою. інвертованими виходи логічного пристрою, чи ні. До заявки, крім матеріалів, обумовлених ЗакоНовим є те, чим взагалі відрізняється схема керуном та Правилами, додаються також довідкові вання комутаційними елементами (транзисторами) матеріали, що не є обов'язковими (додаються для за їх підключенням до логічного пристрою. Показручності експертизи), у такому складі: зано воно на Фіг.3, 4 в поєднані з логічним при- Узагальнені структурні схеми аналогів (на строєм. А на Фіг.5, ... 8 наведені приклади, які подвох сторінках). казують, як використовуються транзистори та - [1]. с. 58-59; [2],с. 1. 5. 12; [3], с. 1,7, 14. 15; змінюється схема керування в залежності від ви[4], с. 75-80. ходів логічного пристрою. 9 41372 10 11 Комп’ютерна верстка В. Мацело 41372 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601