Комутаційний підсилювач потужності

1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить перетворювач імпульсного сигналу, модульованого аналоговим сигналом, на два імпульсно-модульовані сигнали, один з яких є пропорційним до позитивних, а другий - до негативних значень аналогового сигналу, та комутаційний каскад на виході підсилювача, який відрізняється тим, що імпульсним є сигма-дельта модульований сигнал. 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що перетворювач є двоканальним, з першим та другим входами й з першим та другим виходами, кожний з каналів містить елемент затримки та елемент збіжності, вхід елемента затримки є входом каналу, два входи елемента збіжності підключені до входу й виходу елемента затримки, вихід елемента збіжності є виходом каналу. 3. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, який відрізняється тим, що на вході одного з каналів перетворювача включений логічний інвертор. 4. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що затримка, що вносить елемент затримки в кожному каналі, дорівнює 1/fт, де fт - частота квантування сигма-дельта модульованого сигналу. 5. Комутаційний підсилювач потужності за пп. 2, 3 або 4, який відрізняється тим, що перетворювач U 2 (11) 1 3 Перший аналог є комутаційним підсилювачем класу D, що містить пристрій сигма-дельта модуляції, сигналом якого керується вихідний комутаційний каскад. Але цей сигнал сигма-дельта модуляції супроводжується додатковим імпульсним сигналом, що є баластним і використовується для зниження спотворень аналогового сигналу, що підсилюється. Недоліком першого аналога є те, що використання баластного імпульсного сигналу призводить до зниження коефіцієнта корисної дії (ККД) підсилювача. Другим аналогом є комутаційний підсилювач потужності згідно з: [2] Голуб В.С Комутаційний підсилювач потужності. Патент України на корисну модель № 44740 U, клас H03F 3/20, Бюлетень № 19, 2009. Другий аналог є технічним рішенням (щодо комутаційних підсилювачів), яке забезпечує збільшення ККД підсилювача й зменшення спотворень аналогового сигналу, що підсилюється, і має відношення до різних видів модуляції. Конкретизація в ньому (в залежних пунктах) дається для широтно-імпульсної модуляції, а для сигма-дельта модуляції, яке має свою специфіку, не дається. Третім аналогом є мостовий комутаційний каскад згідно з: [3] Голуб В.С. Мостовий комутаційний каскад. Патент України на корисну модель № 44739 U, клас H03F 3/20, Бюлетень № 19, 2009. Третій аналог не протиставляється до корисної моделі, що заявляється. Він вказаний тому, що його каскади будуть використані в залежних пунктах заявки. Перший з двох каскадів призначений для двохсекційного навантаження, що має середній вивід, і являє собою, як і навантаження, дві незалежні секції, що керуються, відповідно, через перший та другий комутуючі елементи. Входи елементів, що є першим та другим входами каскаду, призначені для підключення до джерела з двома імпульсномодульованими сигналами, які пропорційні позитивним та негативним значенням аналогового сигналу. Другий з двох каскадів призначений для односекційного навантаження, що має два виводи (без середнього виводу). Додатково до першого каскаду він містить третій та четвертий комутуючі елементи, що керуються, відповідно, через третій та четвертий входи каскаду. Додаткові елементи виконують функцію "кола дозволу". Коли імпульсномодульований сигнал, що чергується, подається на перший вхід, імпульси дозволу подаються на третій (четвертий), а коли сигнал подається на другий вхід, імпульси дозволу - на четвертий (третій). Найближчим аналогом обрано другий аналог, що є найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється. Заявляється комутаційний підсилювач потужності, який, на відміну від прототипу та в додаток до нього, дає рішення для використання сигма-дельта модуляції. На відміну від першого аналога, підсилювач не має баластного навантаження й, відповідно до цього, має підвищений ККД. Крім того, в підсилювачі, незважаючи на відсутність баластного навантаження та згідно з викори 52746 4 станням комутаційних каскадів третього аналога, забезпечуються більш низькі нелінійні спотворення сигналу. Пропонується: 1. Комутаційний підсилювач потужності, що містить перетворювач імпульсного сигналу, модульованого аналоговим сигналом, на два імпульсно-модульовані сигнали, один з яких є пропорційним до позитивних, а другий - до негативних значень аналогового сигналу, та комутаційний каскад на виході підсилювача, який відрізняється тим, що імпульсним є сигма-дельта модульований сигнал. Підкреслимо, що коли говоримо "сигма-дельта модульований сигнал", то маємо на увазі, що він не містить адитивно добавлених баластних складових, які є в складі сигналу першого аналога. 2. Комутаційний підсилювач потужності за п. 1, який відрізняється тим, що перетворювач є двоканальним, з першим та другим входами й з першим та другим виходами, кожний з каналів містить елемент затримки та елемент збіжності, вхід елемента затримки є входом каналу, два входи елемента збіжності підключені до входу й виходу елемента затримки, вихід елемента збіжності є виходом каналу. 3. Комутаційний підсилювач потужності за п. 2, який відрізняється тим, що на вході одного з каналів перетворювача включений логічний інвертор. 4. Комутаційний підсилювач потужності за п.п. 2 або 3, який відрізняється тим, що затримка, що вносить елемент затримки в кожному каналі, дорівнює 1/fт, де fт - частота квантування сигма-дельта модульованого сигналу. 5. Комутаційний підсилювач потужності за п.п. 2, 3 або 4, який відрізняється тим, що перетворювач додатково містить елемент типу компаратора, протифазні виходи якого є додатковими третім та четвертим виходами перетворювача, а вхід компаратора є додатковим входом перетворювача. 6. Комутаційний підсилювач потужності за п.п. 2, 3 або 4, який відрізняється тим, що перетворювач додатково містить елемент типу RS-тригера, входи якого підключені до першого й другого виходів перетворювача, а протифазні виходи елемента є додатковими третім та четвертим виходами перетворювача. 7. Комутаційний підсилювач потужності за п. 6, який відрізняється тим, що на виході кожного каналу перетворювача включено додатковий елемент затримки. 8. Комутаційний підсилювач потужності за п. 7, який відрізняється тим, що затримка, що вносить додатковий елемент затримки, дорівнює 1/2fт. 9. Комутаційний підсилювач потужності за п.п. 2, 3 або 4, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад, призначений для двохсекційного навантаження з середнім виводом, обидва входи каскаду підключені до першого та другого виходу перетворювача. 10. Комутаційний підсилювач потужності за п.п. 5, 6, 7 або 8, який відрізняється тим, що його комутаційним каскадом є каскад, призначений для односекційного навантаження з двома виводами, що містить елементи типу "кола дозволу", керуючі входи яких є третім та четвертим входами каскаду, 5 перші два входи каскаду підключені до першого та другого виходів перетворювача, а третій та четвертий входи каскаду - до третього та четвертого виходів перетворювача. Відзначимо особистості сигналу з сигмадельта модуляцією (СДМ). Коли аналоговий сигнал модуляції дорівнює нулю, СДМ сигнал - це немодульований меандр, тривалість імпульсів та інтервалів якого дорівнює =1/fт, де fт - частота квантування. Для позитивних значень аналогового сигналу, що модулює, тривалість імпульсів СДМ сигналу стає більшою, але кратною до , а тривалість інтервалів залишається рівною . А для негативних значень, навпаки, тривалість імпульсів залишається рівною , а тривалість інтервалів стає більшою, але теж кратною до . Відношення сумарної тривалості імпульсів до сумарної тривалості імпульсів та інтервалів є пропорційним до аналогового сигналу в сумі зі зміщенням. Для того щоб можна було керувати підсилювачем (згідно з цією заявкою), потрібні два імпульсно-модульовані сигнали. Один з них - пропорційний до позитивних значень аналогового сигналу (без зміщення), а другий - до негативних (теж без зміщення). Отримання таких двох сигналів - це те основне, що вимагається від перетворювача, який є складовою частиною підсилювача. Крім того, перетворювач повинен формувати допоміжні сигнали, про які сказано нижче. СДМ сигнал та його інвертована "копія" (основний та протифазний сигнали), що подаються на перший та другий входи перетворювача, затримуються на час, що дорівнює =1/fт. Це роблять елементи затримки (згідно з п.п. 2, 3, 4). Потім за збіжністю затриманих й незатриманих імпульсів формуються послідовності імпульсів, що й є перетвореними СДМ сигналами (згідно з п. 2). Причому вони не тільки перетворені, вони ще й підсилені в два рази (що визначається подвоєною сумарною тривалістю імпульсів). Один з сигналів - пропорційний до позитивних значень аналогового сигналу, другий - до негативних. Отримані два сигнали є достатніми для комутаційного каскаду, призначеного для навантаження з середнім виводом, а для другого типу каскаду, призначеного для навантаження з двома виводами (без середнього виводу), потрібне ще додаткове перетворення. Цим перетворенням є формування додаткових керуючих сигналів - двох послідовностей імпульсів, одна з яких супроводжує "позитивні", а друга - "негативні" групи імпульсів перетворених сигналів. В першому випадку, в комутаційному каскаді (для навантаження з середнім виводом), що керується двома сигналами, через кожну секцію навантаження протікає струм, що відповідає: один - позитивним, другий - негативним значенням підсиленого сигналу. Завдяки властивості навантаження, в останньому обидві частини сигналу підсумовуються. В другому випадку, в комутаційному каскаді (для навантаження з двома виводами), що додатково керується ще двома сигналами, обидві частини струму, позитивна та негативна, протікають через одне й те ж коло навантаження по черзі в обох напрямках. Така можливість забез 52746 6 печується комутацією навантаження завдяки третьому та четвертому комутуючим елементам, що керуються вказаними третім та четвертим сигналами. До вказаного слід додати таке. Затримка імпульсів може забезпечуватися відомими засобами, в тому числі з використанням D-тригерів або регістрів на D-тригерах з відомими режимами їх синхронізації. Але може бути й таке. Для затримки на використовується послідовність сформованих (як меандр) тактових імпульсів з частотою fт=1/ . Затримка виконується в два етапи. За першим етапом - на /2, з синхронізацією інвертованими тактовими імпульсами. За другим етапом - додатково ще на /2, але з синхронізацією тактовими імпульсами, що не є інвертованими. Запропоноване ілюструється фігурами: Фіг.1. Показаний перетворювач, що входить до складу підсилювача та складається з двох каналів. В кожному каналі (згідно з п. 2): 1 - елемент затримки, 2 - елемент збіжності. Цих елементів достатньо, якщо сигнал СДМ має дві протифазні складові. Якщо сигнал на вході - без протифазної складової, додатково використовується логічний інвертор 3, показаний штриховою лінією (згідно з п. 3). На Фіг.1 літерами (зі скибками) позначені місця, для яких нижче (на Фіг.5) показані сигнали. Як вже сказано, елементом затримки може бути Dтригер або регістр зсуву на D-тригерах з часом затримки =1/fт, згідно з п. 4, елементом збіжності елемент (логічна схема) "І", а інвертором - елемент (логічна схема) "НІ". Фіг.2. Показаний перетворювач, що відповідає Фіг.1, але в ньому додатково введений елемент 4 типу компаратора (згідно з п. 5). Він має два протифазні виходи, що є третім та четвертим виходами перетворювача, а також два вхідні виводи. Один з останніх, що показаний штриховою лінією, може бути підключений до "нуля", а другий - до зовнішнього джерела аналогового сигналу. Але може бути й таке: джерело має два протифазні виводи аналогового сигналу, до яких підключені обидва вхідні виводи компаратора. Це підвищує його чутливість. Вихідні сигнали компаратора - це імпульси, що на одному виході відповідають за тривалістю позитивним значенням аналогового сигналу, а на другому - негативним значенням та чергуються між собою (відповідно до цих значень). Фіг.3. Показаний перетворювач, що теж відповідає Фіг.1, але в ньому додатково введений елемент 5 типу RS-тригера (згідно з п. 6). Його входи підключені до першого та другого виходів перетворювача, а виходи є третім та четвертим його виходами. Вихідні сигнали RS-тригера - це такі ж імпульси, що й на виході компаратора (на Фіг.2), але вони є результатом запуску від імпульсів першого та другого виходів. Фіг.4. Показаний перетворювач, що відповідає Фіг.3, але в ньому додатково введені два елементи затримки 6, наприклад, типу D-тригера з затримкою =1/2fт кожний (згідно з п.п. 7, 8). Затримка може бути й іншою (її значення показане як приклад). Вона потрібна для того, щоб не збігалися фронти імпульсів першого та другого виходів з 7 фронтами імпульсів третього та четвертого виходів. Фіг.5. Показані епюри імпульсів, що є в перетворювачі, а також, остання епюра, - на виході комутаційного каскаду. Епюри а) та а') - це СДМ сигнал та його "інвертована копія" (на вході перетворювача). Епюри б) та б') - це обидва затримані на =1/fт СДМ сигнали (сигнал та "інвертована копія"), а в) та в') - обидва сигнали, що отримані за результатом збіжності. Останні як раз й є тими двома складовими СДМ сигналу, що пропорційні позитивним та негативним значенням аналогового сигналу. Епюри г) та г') - це імпульси третього та четвертого виводів перетворювача, які є імпульсами RS-тригера, а епюри д) та д') - сигнали, що подібні до в) та в'), але мають затримку =1/2fт. Ця затримка, у відміну від попередньої, як вже сказано, не є критичною. її задача - відсунути початок сигналу (його чергової пачки імпульсів) від початку імпульсів тригера. А епюра е) - це імпульси на виході комутаційного каскаду (трьохрівневий сигнал на вході фільтра з навантаженням), що є пропорційними до повного аналогового сигналу, з його позитивними та негативними значеннями. Фільтрація останніх імпульсів дає на навантаженні підсилений аналоговий сигнал. Фіг.6 і 7. Це перший комутаційний каскад третього аналога (з навантаженням з середнім виводом), що призначений для використання в підсилювачі, згідно з п. 9, та показаний в двох різновидах (драйвери на входах каскаду не показані). Його вхідні сигнали - це в) та в'), що є на Фіг.5. Каскади відрізняються тим, що в першому (Фіг.6) комутуючі елементі 7 та 8 "прив'язані" до джерела живлення, а діоди фільтра 9 та 10 та середній вивід навантаження 15 - до загального проводу, а в другому (Фіг.7), навпаки, комутуючі елементі "прив'язані" до загального проводу, а діоди та середній вивід навантаження - до джерела живлення. Дроселі фільтра 11 та 12 включені між комутуючими елементами та навантаженням 15, а конденсатори 13 та 14, які показані штриховою лінією, - до загального проводу. Підключення конденсаторів може бути й інакшим. Обидва різновиди каскаду відповідають третьому аналогу. Фіг.8 і 9. Це другий комутаційний каскад третього аналога (з навантаженням 19 з двома виводами), що призначений для використання в підсилювачі, згідно з п. 10, та теж показаний в двох різновидах. Його вхідні сигнали - це в), в') або д), д') та г), г'), що показані на Фіг.5. Різновиди цього каскаду теж відрізняються тим, що в першому (Фіг.8) комутуючі елементі 7 та 8 "прив'язані" до джерела живлення, а діоди фільтра 9 та 10 - до загального проводу, а в другому (Фіг.9), навпаки, комутуючі елементі "прив'язані" до загального проводу, а діоди - до джерела живлення. Дроселі фільтра 11 та 12 теж включені між комутуючими елементами та навантаженням 19, а конденсатор 18, що показаний штриховою лінією, - паралельно до навантаження 19. Підключення конденсаторів може бути й інакшим. Основним, чим відрізняються обидві різновиди цього каскаду від каскадів на Фіг.6 та 7, є додаткові комутуючі елементи 16 та 52746 8 17, що керуються сигналами г) та г'), показаними на Фіг.5. Обидва різновиди комутаційного каскаду на Фіг.8 та 9 теж відповідають третьому аналогу. Елементи, що є однаково позначеними з елементами на Фіг.6 та 7, - це такі ж самі елементи. Слід відзначити властивості отриманих імпульсних сигналів в) та в'), що є пропорційними позитивним та негативним значенням аналогового сигналу. Вони є результатом реалізації алгоритму, розробленому в рамках заявки, згідно з яким з кожного імпульсу сигма-дельта модульованого сигналу, тривалість якого дорівнює (для негативних та нульових значень аналогового сигналу) або більша й кратна (для позитивних значень), вилучається його частина (квант), що має тривалість . За результатом, для негативних та нульових значень початкового сигналу перетворений сигнал буде дорівнювати нулю, а для позитивних значень - це буде послідовність імпульсів з тривалістю, скороченою на . Правильність отриманого результату можна перевірити таким чином. Якщо від відносної тривалості початкових імпульсів сигма-дельта модуляції, яку позначимо як n/m, де n - тривалість імпульсів, a m - сумарна тривалість імпульсів та інтервалів, віднімемо 1/2 (відносна тривалість імпульсів немодульованого сигналу) та помножимо результат на 2, отримаємо відносну тривалість скорочених імпульсів (на виході перетворювача). Перетворений сигнал має таку структуру. Для його середнього рівня (це буде рівень 3/4 для початкового сигналу) він буде мати форму меандру с тривалістю імпульсів та інтервалів, що дорівнюють 2 (частота переключень 1/4 ). Збільшення сигналу призводить до збільшення тривалості імпульсів, що є кратною (за тривалістю інтервалів 2 ), а зменшення сигналу - спочатку до зменшення тривалості імпульсів до (до рівня сигналу 2/3), а потім до збільшення тривалості інтервалів, що є кратною 2 (за тривалістю імпульсів ). Як і для початкового сигналу, який перетворюється, для проміжних значень перетвореного сигналу (в тому числі, між значеннями 2/3 та 3/4) будуть комбінації суміжних його значень з різною тривалістю імпульсів та інтервалів. Згідно з п. 1, можлива й інша структура двох сигналів в) та в'), що впливає на шум квантування, але ці сигнали повинні бути пропорційними, як показано вище, до аналогового сигналу (з іншим шумом квантування). Слід відзначити також те, що показані сигнали в) й в'), згідно з заявкою, та відповідні сигмадельта складові сигналу першого аналога, згідно з [1], відрізняються між собою за структурою. Тобто сигнали в) та в') відрізняються від сигналів першого аналога не тільки відсутністю баластних "домішок", але й структурою самого сигма-дельта модульованого сигналу. На виході елементів збіжності можуть виникати короткі "паразитні" імпульси, обумовлені накладкою передніх та задніх фронтів вхідних імпульсів в елементах збіжності. Це звичайне явище, й для боротьби з ним використовуються звичайні прийоми, що не мають відношення до суті заявки. 9 Можливість здійснення комутаційного підсилювача потужності, що заявляється, підтверджується, по-перше, приведеним аналізом та, подруге, тим, що він був частково змодельований і перевірений за допомогою комп'ютерної програми 52746 10 "NІ Multisim 10.1". Елементи (мікросхеми тощо), що використовуються для побудови підсилювача та його складових частин (перетворювача, комутаційних каскадів), є загальновідомими. 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 52746 Підписне 12 Тираж 26 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