Усилитель с адаптивной широтно-импульсной модуляцией

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для усиления нижних частот. Усилитель содержит последовательно соединенные источник сигнала 1, сумматор 2 и релейный элемент (РЭ) 3, двухтактный ключевой каскад 4, фильтр нижних частот 5 и цепь отрицательной обратной связи 6, а также первый и второй пороговые элементы (ПЭ) 9 и 10, входы которых подключены к выходу источника сигнала. Выход РЭ 3 подключен к одному входу каскада 4 через ключ 11, а к другому входу - через ключ 12. Введены низкоомный резистор (Р) 8, включенный последовательно с нагрузкой 3, компаратор 16, подключенный входами к Р 8, два элемента ИЛИ 13, 14, элемент НЕ (15). В зависимости от направления тока нагрузки остается в рабочем состоянии именно то плечо каскада 4, которое обеспечивает этот ток нагрузки, независимо от наличия запрещающего сигнала с ПЭ. Технический результат: уменьшение искажений при индуктивной или электромагнитной нагрузке при большой амплитуде входного сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в усилителях нижних частот.

Известен усилитель с адаптивной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [1], содержащий последовательно соединенные источник сигнала, сумматор, релейный элемент, двухтактный ключевой каскад, фильтр нижних частот и цепь отрицательной обратной связи, выход которой соединен со вторым входом сумматора, при этом выход фильтра нижних частот подключен к нагрузке.

Однако известный усилитель не позволяет снизить искажения сигнала при уменьшении величины и увеличении частоты усиливаемого сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является усилитель с адаптивной ШИМ [2], содержащий последовательно соединенные источник сигнала, сумматор и релейный элемент, последовательно соединенные двухтактный ключевой каскад, фильтр нижних частот и цепь отрицательной обратной связи, выход которой соединен со вторым входом сумматора, при этом выход фильтра нижних частот подключен к нагрузке, а также первый и второй управляемые ключи, выход релейного элемента подключен к одному входу двухтактного ключевого каскада через первый управляемый ключ, а к другому входу - через второй управляемый ключ, причем управляющий вход первого управляемого ключа через второй пороговый элемент соединены с выходом источника сигнала.

Однако известный усилитель имеет недостаток, заключающийся в следующем. В случае если нагрузка усилителя имеет индуктивный характер или имеет электромагнитную систему (динамик, двигатель постоянного тока), фаза тока и фаза напряжения на нагрузке не совпадают. Это приводит к тому, что существуют промежутки времени, когда напряжение на нагрузке и ток нагрузки имеют противоположные знаки. В случае электромагнитной нагрузки ситуация усугубляется наличием ЭДС самоиндукции. Например, если входное напряжение положительное, а ток нагрузки отрицательный, т.е. втекает из нагрузки в усилитель, то срабатывание одного порогового элемента при большом входном напряжении приводит к запрещению работы отрицательного плеча двухтактного ключевого каскада. Текущий через нагрузку ток создает положительный потенциал, превышающий заданный входным напряжением уровень, т.е. нарушится соответствие выходного напряжения входному. Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока не снизится входное напряжение ниже срабатывания порогового элемента, при этом заработает отрицательное плечо ключевого каскада, или пока не спадет отрицательный ток нагрузки до нуля, и тогда величина положительного выходного напряжения будет определяться работой положительного плеча усилителя. Таким образом, известный усилитель имеет большие искажения в случае индуктивной или электромагнитной нагрузки при большой амплитуде входного сигнала.

Задачей изобретения является уменьшение искажений при индуктивной или электромагнитной нагрузке при большой амплитуде входного сигнала.

Решение задачи достигается тем, что в усилитель с адаптивной ШИМ, содержащий последовательно соединенные источник сигнала, сумматор и релейный элемент, последовательно соединенные двухтактный ключевой каскад, фильтр нижних частот и цепь отрицательной обратной связи, выход которой соединен со вторым входом сумматора, к выходу фильтра нижних частот подключена нагрузка, а также первый и второй пороговые элементы, входы которых подключены к входу источника сигнала, первый и второй управляемые ключи, выход релейного элемента подключен к одному входу двухтактного каскада через первый управляемый ключ, а к другому входу - через второй управляемый ключ, введены низкоомный резистор, включенный последовательно с нагрузкой, компаратор, подключенный входами к низкоомному резистору, два логических элемента ИЛИ, один логический элемент НЕ, причем первый логический элемент ИЛИ одним входом подключен к выходу первого порогового элемента, другим входом подключен к выходу компаратора, выходом подключен к первому управляемому ключу, второй логический элемент ИЛИ одним входом подключен к выходу второго порогового элемента, другим входом подключен к выходу логического элемента НЕ, выходом подключен ко второму управляемому ключу, вход логического элемента НЕ соединен с выходом компаратора.

Поскольку введенные отличительные признаки отсутствуют у прототипа, предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

У предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом имеется свойство, которое заключается в отсутствии больших искажений при индуктивной или электромагнитной нагрузке при большом уровне входного сигнала. Данное свойство не совпадает со свойствами, проявляемыми отличительными признаками, и не равно сумме этих свойств, что позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже дана функциональная схема предлагаемого устройства, которое содержит последовательно соединенные источник сигнала 1, сумматор 2 и релейный элемент 3, последовательно соединенные двухтактный ключевой каскад 4, фильтр 5 нижних частот и цепь 6 отрицательной обратной связи, выход которой соединен со вторым входом сумматора 2, к выходу фильтра 5 нижних частот подключена нагрузка 7, а также резистор 8, включенный последовательно с нагрузкой 7, первый пороговый элемент 9 и второй пороговый элемент 10, входы которых подключены к выходу источника сигнала 1, первый управляемый ключ 11 и второй управляемый ключ 12, выход релейного элемента 3 подключен к одному входу двухтактного ключевого каскада 4 через первый управляемый ключ 11, а к другому входу через второй управляемый ключ 12, логический элемент ИЛИ 13, логический элемент ИЛИ 14, логический элемент НЕ 15, компаратор 16, причем первый логический элемент ИЛИ 13 одним входом подключен к выходу первого порогового элемента 9, другим входом подключен к выходу компаратора 16, выходом подключен к первому управляемому ключу 11, второй логический элемент ИЛИ 14 одним входом подключен к выходу второго порогового элемента 10, другим входом подключен к выходу логического элемента НЕ 15, выходом подключен ко второму управляемому ключу 12, вход логического элемента НЕ соединен с выходом компаратора 16.

Сущность идеи заключается в том, что если ток нагрузки положительный, то благодаря компаратору 16 положительное плечо двухтактного ключевого каскада остается в рабочем состоянии, даже если пороговый элемент выдает запрещающий сигнал, если ток нагрузки отрицательный, то отрицательное плечо остается в рабочем состоянии.

Усилитель с адаптивной ШИМ работает следующим образом. Если величина входного сигнала близка к нулю, то пороговые элементы 9 и 10 вырабатывают на своих выходах логические единицы, которые поступают на выходы первого и второго логических элементов 13 и 14, благодаря чему на их выходах вырабатываются логические единицы, в результате оба ключа 11 и 12 включены, оба плеча ключевого каскада 4 находятся в рабочем состоянии.

При большом входном сигнале начинают срабатывать пороговые элементы 9 и 10. Рассмотрим работу на резистивную нагрузку. Если входное напряжение превышает порог срабатывания порогового элемента 10, на его выходе формируется логический "0", что приводит к запрещению работы отрицательного плеча ключевого каскада 4. Так как при положительном входном сигнале ток нагрузки положительный (от фильтра низких частот 5 к нагрузке 7), то на выходе компаратора действует логическая "единица", поступающая на вход логического элемента ИЛИ 13, что не влияет на работу устройства, т.к. с выхода порогового элемента 9 также поступает "единица". Логический "ноль", поступающий с выхода логического элемента НЕ, не влияет на работу логического элемента ИЛИ. Если входное напряжение большое по величине и отрицательное по знаку, то срабатывает логический элемент 9, на его выходе формируется логический "0", что приводит к запрещению работы положительного плеча ключевого каскада 4.

Так как в рассматриваемом случае нагрузка резистивная, ток нагрузки отрицательный (от нагрузки к усилителю), на выходе компаратора действует логический "ноль", что также не влияет на работу устройства.

Рассмотрим случай с индуктивной нагрузкой. Если входное напряжение большое положительное, то срабатывание порогового элемента 10 может привести к запрещению отрицательного плеча двухтактного ключевого каскада 4. Так как ток отстает по фазе от напряжения, то в первый момент после срабатывания порогового элемента 10 ток нагрузки имеет отрицательный знак. На выходе компаратора действует логический "ноль", на выходе логического элемента НЕ действует логическая "единица", поэтому управляемый ключ 12 включен, отрицательное плечо двухтактного ключевого каскада остается в рабочем состоянии. Отрицательный ток спадает до нуля при угле напряжения П/2, т.е. при достижении максимума положительного напряжения (для чисто индуктивной нагрузки). После того как отрицательный ток спадет до нуля и начнется положительный ток, на выходе компаратора появится логическая "единица", и только тогда запретится работа отрицательного плеча двухтактного ключевого каскада.

Аналогично при большом отрицательном входном напряжении, при положительном токе нагрузки предотвращается выключение положительного плеча двухтактного ключевого каскада 4.

Использование усилителя с адаптивной ШИМ предлагаемой конструкции позволяет значительно снизить искажения при индуктивной или электромагнитной нагрузке при большой амплитуде входного сигнала.

Список литературы 1. Патент США N 4041411, кл. 330-30, 09.09.77.

2. А.С. СССР N 951644, кл. H 03 F 3/217/.

Формула изобретения

Усилитель с адаптивной широтно-импульсной модуляцией, содержащий последовательно соединенные источник сигнала, сумматор и релейный элемент, последовательно соединенные двухтактный ключевой каскад, фильтр нижних частот и цепь отрицательной обратной связи, выход которой соединен со вторым входом сумматора, при этом на нагрузку поступает сигнал с выхода фильтра нижних частот, а также первый и второй пороговые элементы, входы которых подключены к выходу источника сигнала, первый и второй управляемые ключи, выход релейного элемента подключен к одному входу двухтактного ключевого каскада через первый управляемый ключ, а к другому входу - через второй управляемый ключ, отличающийся тем, что введены низкоомный резистор, включенный последовательно с нагрузкой, компаратор, подключенный входами к низкоомному резистору, два логических элемента ИЛИ, один логический элемент НЕ, причем первый логический элемент ИЛИ одним входом подключен к выходу первого порогового элемента, другим входом подключен к выходу компаратора, выходом подключен к первому управляемому ключу, второй логический элемент ИЛИ одним входом подключен к выходу второго порогового элемента, другим входом подключен к выходу логического элемента НЕ, выходом подключен ко второму управляемому ключу, вход логического элемента НЕ соединен с выходом компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1