Цифровой усилитель мощности

 

ЦИФРОВОЙ УСШШТЕЛЬ МОЩНОСТИ , содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом цифрового усилителя мощности и соединен с входом селектора полярности, ц коммутаторов, входы которых соединены с соответствующими выходами аналого-цифрового, преобразователя, управляющие входы соединены с выходом селектора полярности , выходы Ц коммутаторов подключены к соответствующим входам п. ключевых усилителей, а также выходной весовой сумматор и фильтр нижних частот, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и снижения нелинейных искажений, введены дополнительный весовой сумматор, блок вычитания, линейный усилитель и П дополнительных фильтров нижних .частот, включенных между выходами ц ключевых усилителей, вьтолненных по мостовой схеме, и соответствующими входами выходного весового сумматора, П +1 вход которого соединен с выходом линейного усилителя, причем выходы п коммутаторов соедиi нены, с соответствующими входами (Л дополнительного весового сумматора, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого соединен с входом аналогоцифрового преобразователя, а выход через, фильтр нижних частот - с выходом выходного весового сумматора и входом линейного усилителя. (;о ел Ч

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (1 9) (11) (51)4 Н 03 F 3/217.ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ HOMH TET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ / с, ., (., „- . г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИП

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4., (21) 3478605/24-09 (22) 03.08.82 (46) 15.09.85. Бюл. ((- 34 (72) В.M. Кибакин и С.Н. Кулыгин (71) Горьковский политехнический институт им. А.А.Жданова (53) 621.375.026(088.8) (56) Патент ФРГ Y - 3044956, кл. Н 03 F 3/217, опублик. 1979.

Патент Франции N- 1586550, кл. Н 03 К, опублик. 20.2.70. (54)(57) ЦИФРОВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЦ1—

НОСТИ, содержащий аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом цифрового усилителя мощности и соединен с входом селектора полярности, 1) коммутаторов, входы которых соединены с соответствующими выходами аналого-цифрового преобразователя, управляющие входы соединены с выходом селектора полярности, выходы 11 коммутаторов подключены к соответствующим входам и, ключевых усилителей, а также выходной весовой сумматор и фильтр нижних частот, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и снижения нелинейных искажений, введены дополнительный весовой сумматор, блок вычитания, линейный усилитель и

1) дополнительных фильтров нижних .частот, включенных между выходами

П ключевых усилителей, выполненных по мостовой схеме, и соответствующими входами выходного весового сумматора, п +1 вход которого соединен с выходом линейного усилителя, причем выходы и коммутаторов соединены.с соответствующими входами дополнительного весового сумматора, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого сое.динен с входом аналогоцифрового преобразователя, а выход через. фильтр нижних частот — с выходом выходного весового сумматора и входом линейного усилителя.

1179517

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при усилении до большого уровня мощности низкочастотных сигналов.

Цель изобретения — расширение 5 динамического диапазона и снижение нелинейных искажений.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема цифрового усилителя мощности; на фиг. 2— принципиальная электрическая схема ключевого усилителя, выполненного по мостовой схеме; на фиг. 3 временные диаграммы напряжений в узловых точках схемы цифрового 15 усилителя мощности.

Цифровой усилитель мощности на фиг. 1 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, селектор полярности 2, блок вычитания 3, коммутаторы 41 в 4д, ключевые усилители 5 1 — 5„„ дополнительные фильтры нижних частот (ФНЧ) 6< — 611, выходной весовой сумматор 7, дог;олнительный весовой сумматор 8, фильтр 25 нижних частот (ФНЧ) 9, линейный усилитель 10, при этом каждый ключевой усилитель 5 (фиг. 2) выполнен по мостовой схеме на транзисторах 1116, диодах 17 и 18 и источнике 19 30 напряжения смещения, причем на фиг. 3а представлено напряжение входного сигнала, на фиг. Зб — выходное напряжение селектора полярности 2, на фиг. Зв — выходное напряжение младшего (первого) разряда АЦП 1, на фиг. Зг — выходное напряжение линейного усилителя 10, на фиг. Зд— выходное напряжение ключевого усилителя 51, на фиг. Çe — выходное,® напряжение цифрового усилителя мощности при работе одного ключевого усилителя 5< младшего разряда (ре— зультат суммирования выходных напряжений ключевого (фиг. Зд) и линейного (фиг. 3r) усилителей 5 и 10).

20

Цифровой усилитель мощности рабо. тает следующим образом.

В исходном состоянии обеспечивается низкое выходное сопротивле- 50 ние ключевых усилителей 5 1 — 5 благодаря введению в их состав диодов

17 и 18 (фиг. 2) и источника 19 напряжения смещения открывающей по-. лярности, вследствие чего для любо- 55 . ro "постороннего" напряжения на выходных клеммах ключевых усилителей

5 1. — 5 обеспечивается режим короткого замыкания через последовательно соединенные насыщенный транзистор 11 (13) одного плеча и открытый диод 18 (17) другого плеча (фиг ° 2).

Поэтому до момента начала работы

АЦП 1 напряжения на его разрядных выходах равны нулю, равна нулю и сумма нулевых выходных напряжений ключевых усилителей 51 — 5, и сигнал, усиленный только линейным усилителем 10, через выходные цепи ключевых усилителей 51 — 5, имеющих практически нулевое выходное сопротивление, без потерь поступает в нагрузку.

Таким образом, при малых уровнях выходного сигнала цифровой усилитель мощности работает как типовой линейный усилитель.

В случае дальнейшего увеличения уровня входного сигнала начинает работать АЦП 1, формирующий на своих выходах кодовые комбинации, соответствующие величине усиливаемого сигнала и поступающие на ключевые усилители 5 1 — 5 д и через дополнительные ФНЧ 6 — 6„ на выходной весовой сумматор 7.

Для примера рассмотрим работу блоков цифрового усилителя мощности, соответствующих одному младшему разряду АЦП 1 и выходного весового сумматора 7. При наличии на выходе младшего (первого) разряда

АЦП 1 сигнала логической единицы он подается через коммутатор 41 на тот или иной вход ключевого усилителя 5 1 в зависимости от выходного сигнала селектора полярности 2 (логическая единица соответствует положительной полярности входного сигнала и обеспечивает подачу сигнала возбуждения на вход ключевого усилителя 5< (фиг. 2), а логический нуль соответствует отрицательной полярности и обеспечивает возбуждение другого входа ключевого усилителя 5 ).

Таким образом, осуществляется формирование на выходе ключевого усилителя 5 1 прямоугольного импульса, полярность которого соответствует полярности входного сигнала, а амплитуда определяется напряжением источника питания.

Совершенно аналогичные процессы происходят при большей величине входного сигнала, когда выходной

117

fO сигнал следующего по весу разряда (второго) АЦП 1 при посредстве коммутатора 4 усиливается ключевым усилителем 5

Очевидно в то же времй, что си - 5 нал логической единицы с соответствующего выхода сработавшего комму— татора 4 подается через дополнительt ный весовой сумматор 8 на второй вход блока вычитания 3, в котором он с определенным весом вычитается из входного усиливаемого сигнала °

Полученная разность напряжений через ФНЧ 9 подается на вход линейного усилителя 10, который всегда работает в линейном режиме.

В свою очередь выходные сигналъ ключевых усилителей 5 „ после фильтрации из них высокочастотных составляющих дополнительными ФНЧ 6 — 6дщ суммируются в выходном весовом сумматоре 7 с выходным сигналом линейного усилителя 10.

В результате на выходе цифрового усилителя мощности формируется сиг- 2 нал, по форме полностью идентичный входно <у.

Необходимо отметить, что в цифровом усилителе мощности (фиг. 1) величина искажений усиливаемых сиг налов определяется только разницей во времени прохождения сигналов через линейный усилитель и ключевые каналы (или разницей фазочастотных характеристик каналов), в то время

9517 4 как в известных устройствах она зависит от того, насколько близко к нулю время прохождения сигнала по цепи обратной связи. И вследствие того, что это время всегда конечно, то для обеспечения меньшего уровня искажений в цифровом усилителе мощности не существует принципиальных трудностей достижения идентичности упомянутых фазочастотных характеристик.

Кроме того, возникающие в усилителях искажения сигналы могут быть уменьшены введением отрицательной обратной связи ООС, для чего часть выходного напряжения подается на вход линейного усилителя 10.

Вынесение ФНЧ 9 до линейного усилителя 10 обусловлено линейностью операции фильтрации и усиления, для которых применим принцип суперпозиции. Поэтому на точности воспроизведения формы усиливаемого сигнала местоположение фильтра в линейном канале не отражается. Однако описанное схемное построение позволяет значительно смягчить требования к величине постоянной времени цепи ООС, поскольку контур ООС в этом случае работает только на низких частотах, лежащих в пределах полосы пропускания ФНЧ 9, которая совпадает с полосой пропускания дополнительных

ФНЧ 61 — 6„.

1179517

Корректор И. Демчик

Составитель И. Водяхина

Техред А.Бабинец

Редактор В. Ковтун

Заказ 5695/60 Тираж 872

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ПЛП "Патент", г. "жгород, ул. Проектная, 4