Комутаційний підсилювач потужності

1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить комутаційний каскад, вихід якого є виходом підсилювача, та логічний пристрій на його вході, який відрізняється тим, що перший та другий виходи логічного пристрою є виходами з імпульсно-модульованими послідовностями, пропорційними - одна до позитивних, друга до негативних значень аналогового сигналу, призначеного для підсилювання, виходи пристрою підключені до першого та другого входів комутаційного каскаду. 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має два входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазною модуляцією аналоговим сигналом, та містить два кола типу "схема збіжності", перші входи яких є першим та другим входами пристрою, другий вхід першого кола через перший інвертор підключений до другого входу пристрою, а другий вхід другого кола через другий інвертор - до першого входу пристрою, виходи першого та другого кіл є першим та другим виходами пристрою. 3. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має два входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазними несучими коливаннями, модульованими аналоговим сигналом, та містить два кола типу "схема збіжності", перший та другий входи першого кола є першим та другим входами пристрою, а перший та другий входи другого кола через перший та другий інвертори підключені до першого та другого входу пристрою, виходи першого та другого кіл є першим та другим виходами пристрою. 4. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має чотири входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазною модуляцією аналоговим сигналом, кожне джерело - з двома протифазними, першим та другим, виходами, та містить два кола типу "схема збіжності", перші входи першого та другого кіл під 2 (19) 1 3 44740 4 причому протилежною полярністю до джерела живлення. 10. Комутаційний підсилювач потужності за п. 6, 7 або 8, який відрізняється тим, що його комутаційний каскад, призначений для навантаження з двома виводами, складається з двох секцій, кожна з яких містить перший комутаційний елемент, вхід якого є одним з входів комутаційного каскаду, та дросель, що включені послідовно між одним з виводів для підключення до джерела живлення, та одним з виводів виходу каскаду, а також діод, включений між з'єднанням комутаційного елемента з дроселем та другим виводом до джерела жи влення, причому протилежною полярністю до джерела, та додатково - другий комутаційний елемент, включений між виводом виходу каскаду та другим виводом до джерела живлення, вхід другого комутаційного елемента є одним з додаткових входів комутаційного каскаду. 11. Комутаційний підсилювач потужності за п. 9 або 10, який відрізняється тим, що його комутаційними елементами є транзистори. 12. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, 3, 4, 5, 6, 7 або 8, який відрізняється тим, що його логічний пристрій є цифровим. Корисна модель має відношення до комутаційних підсилювачів потужності, що використовуються в перетворювачах напруги та струму, системах електроприводу, аудіо системах (підсилювачах класу D) тощо. Комутаційний підсилювач, що заявляється, має аналоги, від яких він відрізняється більш високою досконалістю. Перший аналог описаний в: [1] Гаалаас Э. Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества (части 1 и 2) //Электронные компоненты - Украина, 2008, №3/4, с.35-42. В першому аналогу один і той же керуючий ШІМ сигнал подається на вихідний каскад у двох видах, один з них є інвертованим відносно іншого. Згідно з цим підсилювач на вході вихідного каскаду має інвертор або каскад з виходом вказаних двох сигналів. Якщо використовується напівміст, інвертор включено на вході одного з комутаційних елементів. Якщо використовується міст, інвертор включено на вході двох елементів, розташованих по діагоналі моста. Наявність інверторів залежить також від того, якого типу провідності використовуються транзистори - одного чи обох типів. На входах комутаційних елементів включені драйвери, що потрібні для узгодження за напругою. Драйвери використовуються у всіх аналогах, а також в підсилювачі, що заявляється. Вони не є предметом розгляду і далі не згадуються. В кожному напівмості (як у напівмостовому, так і мостовому підсилювачах) під час роботи підсилювача комутаційні елементи по черзі включаються та виключаються. За результатом, коли крізь один елемент напівмоста та навантаження підсилювача (з його фільтром, якщо останній використовується) протікає струм, через другий елемент напівмоста струм не протікає. Потім, навпаки, струм протікає крізь другий елемент і те ж саме навантаження, але в іншому напрямку. За результатом, через навантаження протікає відфільтрована різниця струмів, що є підсиленим сигналом. Першим недоліком першого аналога є таке. Коли відкривається один з двох елементів напівмоста, другий з них не встигає закритися, і крізь ці два відкритих елементи, повз навантаження, від джерела живлення протікає надто великий наскрізний імпульс струму. Наскрізні імпульси повторюються два рази за період ІМ (в даному разі, ШІМ) сигналу в кожному напівмості. Вони є зайви ми, знижують коефіцієнт корисної дії (ККД) підсилювача та додатково розігрівають комутаційні елементи, якими, в більшості, є транзистори. А другим недоліком є таке. Підсилений ІМ сигнал на виході напівмоста або моста, що подається на навантаження, послідовно з яким включено фільтр, містить дві складові. Перша - це несуча складова сигналу, друга - це складова модуляції, яка містить аналоговий сигнал, що підлягає підсилюванню. Фільтр частково не пропускає несучу складову, але частина його все ж таки проходить крізь комутаційні елементи, фільтр та навантаження. Воно також призводить до зниження ККД підсилювача. В деяких підсилювачах фільтр відсутній, і ККД додатково ще зменшується, а елементи підсилювача теж додатково розігріваються. Другий аналог описаний в: [2] 15-W Stereo Class-D Audio Power Amplifier: TPA3107D2 //Texas Instruments, October 2008 (www.ti.com). Другий аналог належить до мостових підсилювачів. Від першого аналога він відрізняється тим, що містить два широтно-імпульсні модулятори, вихідні сигнали яких мають протифазну модуляцію, обумовлену двома протифазними аналоговими сигналами. Один модулятор своїм виходом підключений до одного напівмоста, другий - до другого. За результатом, на виході моста, тобто на навантаженні з його фільтром, несучі складові ШІМ сигналу компенсуються, а дві складові модуляції підсумовуються. Тобто в другому аналогу відсутній другий недолік першого аналога, але ж перший недолік, наявність наскрізних імпульсів струму, зостається. Третій аналог описаний в: [3] Безверхний И. Б. Микросхемы УМЗЧ для мобильных (носимых) и автомобильных применений //Электронные компоненты - Украина, 2008, №1/2, с.75-88. Третій аналог, як і другий, містить два широтно-імпульсні модулятори, вихідні сигнали яких теж мають протифазну модуляцію, але обумовлену двома протифазними несучими коливаннями (при однаковому аналоговому сигналі). Недолік третього аналога - той же, що й другого. Четвертий аналог описаний в: [4] ThunderBall Class D Amplifier (www.morgoelektronika.extra.hu/elemek/thunderball.p df). Він відрізняється від попередніх аналогів тим, що обидва транзистори в кожному напівмості не 5 мають безпосереднього з'єднання, що обмежує наскрізний струм. Це є позитивною властивістю четвертого аналога. В мості використовуються не два дроселі, а чотири, послідовно з виходом кожного транзистора, а також чотири діоди, що включені між виходами транзисторів та виводами для підключення живлення. Але ж недоліком третього аналога є те, що вказані діоди, які є в колах фільтрації вихідного сигналу, шунтують навантаження з дроселем (точніше, з двома дроселями, що включені по діагоналі моста) не безпосередньо, а через джерело живлення. Останнє призводить до спотворень сигналу, що фільтрується за допомогою діодів на виході підсилювача. Вказані спотворення будуть більшими, якщо керуючі імпульси мають інтервали між собою. Вказане є недоліком четвертого аналога. П'ятий аналог описаний в: [5] Голуб В. Усилители мощности класса D: сигналы управления //Электроника: НТВ, 2008, №3, с.90-96. П'ятий аналог відрізняється тим, що його ШІМ сигнал, що використовується в мікросхемах фірми Analog Devices, є цифровим, точніше - з квантованими за тривалістю імпульсами, що описуються цифровим кодом. Його властивістю є більш точна обробка сигналу, що є цифровою. П'ятий аналог показаний як приклад, що буде використаний в одному з залежних пунктів корисної моделі. В зв'язку з недоліками аналогів поставлено задачу - запропонувати такий комутаційний підсилювач потужності, який не мав би вказаних недоліків. Прототипом обрано четвертий аналог, що є найближчим до корисної моделі. Для виконання поставленої задачі використовується нова структура сигналу та змінена схема комутаційного підсилювача, що забезпечує існування цього сигналу. Зміна схеми підсилювача обумовлена введеними новим логічнім пристроєм та новим вихідним комутаційним каскадом. Пропонується: 1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить комутаційний каскад, вихід якого є виходом підсилювача, та логічний пристрій на його вході, який відрізняється тим, що перший та другий виходи логічного пристрою є виходами з імпульсномодульованими послідовностями, пропорційними одна до позитивних, друга до негативних значень аналогового сигналу, призначеного для підсилювання, виходи пристрою підключені до першого та другого входів комутаційного каскаду. 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має два входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазною модуляцією аналоговим сигналом, та містить два кола типу "схема збіжності", перші входи яких є першим та другим входом пристрою, другий вхід першого кола через перший інвертор підключений до другого входу пристрою, а другий вхід другого кола через другий інвертор - до першого входу пристрою, виходи першого та другого кіл є першим та другим виходами пристрою. 3. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має два входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазними 44740 6 несучими коливаннями, модульованими аналоговим сигналом, та містить два кола типу "схема збіжності", перший та другий входи першого кола є першим та другим входами пристрою, а перший та другий входи другого кола через перший та другий інвертори підключені до першого та другого входу пристрою, виходи першого та другого кіл є першим та другим виходами пристрою. 4. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має чотири входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазною модуляцією аналоговим сигналом, кожне джерело - з двома протифазними, першим та другим, виходами, та містить два кола типу "схема збіжності", перші входи першого та другого кіл підключені до перших виходів першого та другого джерел, а другі входи першого та другого кіл - до других виходів другого та першого, відповідно, джерел, виходи першого та другого кіл є першим та другим виходами пристрою. 5. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що логічний пристрій має чотири входи, призначені для підключення до джерел двох імпульсних послідовностей з протифазними несучими коливаннями, модульованими аналоговим сигналом, кожне джерело - з двома протифазними, першим та другим, виходами, та містить два кола типу "схема збіжності", обидва входи першого з них підключені до перших виходів, а обидва входи другого - до других виходів обох джерел, виходи першого та другого кіл є першим та другим виходами пристрою. 6. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, 3, 4 або 5, який відрізняється тим, що логічний пристрій додатково містить коло формування імпульсів, тривалості яких дорівнюють тривалостям імпульсних послідовностей першого та другого виходів пристрою, що чергуються, а два виходи кола є третім та четвертим виходами пристрою, що підключені до додаткових, третього та четвертого, входів комутаційного каскаду. 7. Комутаційний підсилювач потужності за п. 6, який відрізняється тим, що коло формування імпульсів є типу компаратора, вхід якого є третім входом логічного пристрою, призначеним для підключення до джерела аналогового сигналу. 8. Комутаційний підсилювач потужності за п. 6, який відрізняється тим, що коло формування імпульсів є типу асинхронного тригера з двома входами, підключеними до першого та другого виходів пристрою. 9. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, 3, 4 або 5, який відрізняється тим, що його комутаційний каскад, призначений для навантаження з трьома виводами, складається з двох секцій, кожна з яких містить комутаційний елемент, вхід якого є одним з входів комутаційного каскаду, та дросель, що включені послідовно між одним з виводів для підключення до джерела живлення, та одним з виводів виходу каскаду, а також діод, включений між з'єднанням комутаційного елемента з дроселем та другим виводом до джерела живлення, причому протилежною полярністю до джерела живлення. 7 10. Комутаційний підсилювач потужності за п. 6, 7 або 8, який відрізняється тим, що його комутаційний каскад, призначений для навантаження з двома виводами, складається з двох секцій, кожна з яких містить перший комутаційний елемент, вхід якого є одним з входів комутаційного каскаду, та дросель, що включені послідовно між одним з виводів для підключення до джерела живлення, та одним з виводів виходу каскаду, а також діод, включений між з'єднанням комутаційного елемента з дроселем та другим виводом до джерела живлення, причому протилежною полярністю до джерела, та додатково - другий комутаційний елемент, включений між виводом виходу каскаду та другим виводом до джерела живлення, вхід другого комутаційного елемента є одним з додаткових входів комутаційного каскаду. 11. Комутаційний підсилювач потужності за п. 9 або 10, який відрізняється тим, що його комутаційними елементами є транзистори. 12. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, 3, 4, 5, 6, 7 або 8, який відрізняється тим, що його логічний пристрій є цифровим. В комутаційному підсилювачі, що пропонується: - зменшена удвоє кількість комутаційних елементів, що керуються імпульсами модуляції, та, тим самим, відповідно зменшена кількість їх переключень; - комутація імпульсами модуляції не супроводжується наскрізними імпульсами струму (їх зовсім немає); - кола фільтрації на виході підсилювача, що містять дроселі та діоди, не викликають спотворень сигналу. Останнє пояснюється тим, що струм фільтрації, який протікає від дроселя через діод, не зустрічає перешкоди, обумовленої напругою джерела живлення. Перелік фігур (з їх описом): Фіг. 1. Схема відповідає пп. 1 та 2 опису, що приведений вище, і містить два пристрої - "Модулятори" (1) та "Логічний пристрій" (4). Перший з них, що обведений штриховою лінією, не є частиною підсилювача, що пропонується. Це - відома частина, показана для наочності. Модуляторами (2) та (3) позначені джерела імпульсномодульованих сигналів, що показані в описі. Логічний пристрій містить схеми збіжності (7) та (8), що разом з інверторами (5) та (6) забезпечують формування сигналів, вказаних в п. 1 опису. Модулятори (2) та (3) формують імпульсні сигнали з модуляцією двома протифазними аналоговими сигналами. Фіг. 2. Схема відповідає пп. 1 та 3 опису і теж містить два пристрої - "Модулятори" (9) та "Логічний пристрій" (11). Модулятори (2) та (10) формують імпульсні сигнали теж з протифазною модуляцією, але остання обумовлена двома протифазними несучими коливаннями (у відміну від протифазних аналогових сигналів). Відповідно, модулятор (2) - такий, як на фіг. 1, а модулятор (10) відрізняється від (3). Логічний пристрій містить ті ж самі схеми збіжності (7) та (8), які разом з інверторами (12) та (13) забезпечують формування сигналів, вказаних в п. 1 опису. Інвертори (12) та 44740 8 (13) - такі, як і (5) та (6), але відрізняються схемою включення в логічному пристрої. Фіг. 3. На фігурі показані епюри сигналів у колах підсилювача. Вони позначені літерами з дужкою і відповідають тим місцям на схемах інших фігур, що позначені такими ж літерами. Цими сигналами є: а) аналоговий сигнал; б,в,г) сигнали на виході модуляторів (2), (3), (10) та, відповідно, на входах логічних пристроїв (4) та (11); д,е) сигнали на першому та другому виходах вказаних логічних пристроїв. Сигнали на виходах обох логічних пристроїв однакові. Про сигнали є,ж,з,и) вказано нижче. На фігурі показані імпульси з двосторонньою широтно-імпульсною модуляцією (ДШІМ), але можуть бути й з односторонньою широтноімпульсною (ОШІМ) та з іншими видами імпульсної модуляції, що відповідають сказаному вище. Фіг. 4. По-перше, схема відповідає пп. 1 та 4 опису і теж містить два пристрої - "Модулятори" (14) та "Логічний пристрій" (17). Модулятори (15) та (16) відповідають модуляторам (2) та (3) на фіг. 1, але відрізняються тим, що мають по два виходи - в протифазі один до одного. Відповідно, логічний пристрій (17) містить схеми збіжності (5) та (6), але інвертори в ньому відсутні. По-друге, схема відповідає пп. 1 та 7 опису і додатково містить коло формування імпульсів (18), функцію якого виконує компаратор. Його виходи є третім та четвертим виходами логічного пристрою, а сигнали, що позначені як є,ж), показані на фіг. 3. Фіг. 5. По-перше, схема відповідає пп. 1 та 5 опису і містить два пристрої - "Модулятори" (19) та "Логічний пристрій" (21). Модулятори (15) та (20) відповідають модуляторам (2) та (10) на фіг. 2, але відрізняються, як і (15) та (16) на фіг. 4, тим, що мають по два виходи - в протифазі один до одного. Відповідно, логічний пристрій (21) містить ті ж самі схеми збіжності (5) та (6), але інвертори в ньому теж відсутні. По-друге, схема відповідає пп. 1 та 8 опису і додатково містить коло формування імпульсів (22), функцію якого виконує тригер (точніше - асинхронний RS тригер). Його виходи також є третім та четвертим виходами логічного пристрою, а сигнали, що теж позначені як є,ж), показані на фіг. 3. Але ці імпульси, у відміну від імпульсів на фіг. 4, будуть мати затримку, обумовлену запуском тригера (22) від імпульсів д,е). Ця затримка сама по собі не суттєва, але при фільтрації вихідного сигналу може бути корисною, бо дає можливість більш досконало завершати фільтрацію сигналу в кінці кожного його півперіоду. Фіг. 6. Схема відповідає п. 9 опису і є схемою вихідного комутаційного каскаду, де: (23) та (24) комутаційні елементи, що, згідно з п. 11 опису, можуть бути транзисторами; (25) та (26) - діоди, (27) та (28) - дроселі, (30) та (31) - конденсатори фільтра; (29) - навантаження (з виводом середньої точки). Останнє не належить до каскаду. Комутаційні елементи керуються сигналами д) та є), що показані на фіг. 3. Фіг. 7. Схема є аналогічною до схеми на фіг. 6 і відрізняється іншим включенням вихідного каскаду відносно джерела живлення та заземлення. Таке включення може бути більш доцільним для 9 сигналів д,е), від яких залежить точність передачі аналогового сигналу при його підсилюванні. Фіг. 8. Схема відповідає п. 10 опису і теж є схемою вихідного комутаційного каскаду. Відрізняється від схеми на фіг. 6 тим, що додатково містить ще два комутаційні елементи - (33) та (34), завдяки яким є можливим використовувати навантаження (35) без середньої точки. Елементи (33) та (34) керуються сигналами є) та ж), що теж показані на фіг. 3. 44740 10 Фіг. 9. Схема є аналогічною до схеми на фіг. 8 і відрізняється включенням вихідного каскаду відносно джерела живлення та заземлення. Таке включення також може бути більш доцільним, як і для вихідного каскаду на фіг. 7. Можливість здійснення корисної моделі підтверджується, по-перше, приведеним аналізом та, по-друге, тим, що її реалізація не потребує нових елементів. Крім того, комутаційний підсилювач був змодельований на комп'ютері за допомогою програми "NI Multisim 10.1". 11 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 44740 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