Способ усиления цифровых сигналов и гибридный усилитель (варианты)

Изобретение относится к усилительной технике и главным образом предназначено для использования в цифровых звукоусилительных трактах. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в снижении искажений выходного сигнала при малом уровне входного, усиливаемого сигнала. Это достигается тем, что особенностью способа является разбиение динамического диапазона усиливаемого сигнала на две области - область малых значений и область больших значений, и далее раздельное усиление полученных в результате такой сепарации сигналов. Ожидаемый эффект - повышение качества усиленного сигнала - обеспечивается за счет усиления слабого сигнала маломощным аналоговым прецизионным усилителем, а сильного - экономичным мощным усилителем, например, работающим в режиме класса D. Основу цифрового усилителя, реализующего настоящий способ, составляют два канала, один из которых содержит цифро-аналоговый преобразователь и аналоговый усилитель, а другой содержит преобразователь цифрового кода в импульсную последовательность и усилитель импульсов с демодулятором. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к усилительной технике и главным образом предназначено для использования в цифровых звуковоспроизводящих трактах, функционирующих с цифровыми источниками сигналов, например с проигрывателями Audio-CD, DVD-Audio и др.

Усиление сигналов, представленных в виде модулированной по одному из временных параметров импульсной последовательности, позволяет использовать непосредственно для увеличения амплитуды и мощности сигналов каскады, работающие в режиме класса D, характеризующимся тем, что транзисторы находятся либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Указанное обеспечивает достаточно высокий коэффициент полезного действия усилителей, недостижимый для схем класса В. Наиболее распространенным видом модуляции в усилителях класса D является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), встречаются также усилители с частотно-импульсной модуляцией, реже с комбинацией нескольких видов модуляции. Демодуляция ШИМ-последовательности осуществляется достаточно просто фильтрами нижних частот (ФНЧ), часто роль которых выполняет частотно-избирательная нагрузка.

Классический способ усиления сигналов посредством их преобразования в импульсную последовательность состоит в том, что усиливаемый аналоговый сигнал преобразуют в ШИМ-последовательность, используя его как модулирующий, далее импульсы ШИМ-последовательности усиливают, после чего ШИМ-последовательность демодулируют, выделяя, таким образом, усиленный аналоговый сигнал [Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - М.: Мир, 1991, стр.226-227; Controller class-D audio amplifier TDA 8929T. Philips Semiconductors, 2001].

Способ используют для усиления сигналов, полученных от аналоговых источников. В то же время значительная часть современных носителей информации содержит информацию, представленную в цифровом виде. В этих случаях на вход усилителя целесообразно подавать цифровой код, как первичный сигнал, без преобразования его в аналоговую форму. Такой способ также известен, мало отличается от первого и состоит в следующем.

Способ (прототип) усиления сигналов, представленных в цифровой форме, состоящий в том, что N-разрядный цифровой код преобразуют в последовательность широтно-модулированных импульсов, которые усиливают, а после усиления ШИМ-последовательность демодулируют, преобразуя таким образом исходный цифровой сигнал в аналоговый [TAS 5001 digital audio PWM processor, Texas Instruments, 2001].

Цифровой усилитель, реализующий способ-прототип, содержит преобразователь цифрового кода (сигнала с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ)) в ШИМ-последовательность, усилитель импульсов и фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом усилителя импульсов, вход которого соединен с выходом преобразователя, вход которого служит входом цифрового усилителя, выходом которого является выход фильтра [TAS 5001 digital audio PWM processor. Texas Instruments, 2001; TAS 5100A PWM power output stage. Texas Instruments, 2002].

Недостатком как способа-прототипа, так и устройств, его реализующих, является возрастание нелинейных искажений выходного сигнала с уменьшением уровня входного, усиливаемого. Указанная причина сдерживает применение усилителей класса D в задачах высокоточного усиления звука.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в снижении искажений выходного сигнала при малом уровне входного, усиливаемого сигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе усиления сигналов, представленных в цифровой форме, согласно изобретению разряды цифрового кода, соответствующего отсчету аналогового сигнала, делят на две группы - группу младших разрядов и группу старших разрядов, цифровой сигнал, соответствующий группе младших разрядов, преобразуют в аналоговую форму, усиливают в аналоговой форме и получают первую составляющую выходного сигнала, цифровой сигнал, соответствующий группе старших разрядов преобразуют в последовательность импульсов, модулированных по одному или нескольким временным параметрам, импульсы усиливают, после чего демодулируют и получают вторую составляющую выходного сигнала, взвешенная сумма составляющих является выходным усиленным сигналом.

Цифровой сигнал, соответствующий группе старших разрядов, можно преобразовать в последовательность широтно-модулированных импульсов, или в последовательность частотно-модулированных импульсов, или в последовательность частотно и широтно-модулированных импульсов.

Технический результат достигается также тем, что гибридный усилитель по первому варианту, включающий в себя импульсный канал усиления, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по одному или нескольким временным параметрам, усилитель импульсов с демодулятором, согласно изобретению содержит сумматор и аналоговый канал усиления, содержащий цифроаналоговый преобразователь и аналоговый усилитель, импульсный канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе старших разрядов усиливаемого сигнала, аналоговый канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе младших разрядов усиливаемого сигнала, сумматор служит для сложения выходных сигналов двух каналов, выход сумматора служит для подключения нагрузки.

Технический результат достигается также тем, что гибридный усилитель по второму варианту, включающий в себя импульсный канал усиления, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов модулированных по одному или нескольким временным параметрам, усилитель импульсов с демодулятором согласно изобретению содержит аналоговый канал усиления, содержащий цифроаналоговый преобразователь и аналоговый усилитель, импульсный канал предназначен для усиления сигнала соответствующего группе старших разрядов усиливаемого сигнала, аналоговый канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе младших разрядов усиливаемого сигнала, оба канала усиления включены в противофазе, выходы каналов служат для подключения к ним нагрузки.

Входящий в состав импульсного канала гибридного усилителя преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов может быть выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов, или в последовательность частотно-модулированных импульсов, или в последовательность частотно- и широтно-модулированных импульсов.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показана временная диаграмма, иллюстрирующая способ усиления цифровых сигналов, на фиг.2 - функциональная схема первого варианта гибридного усилителя, на фиг.3 - функциональная схема второго варианта гибридного усилителя.

Временная диаграмма (фиг.1) содержит:

- сигнал u₁(t) из области малых значений динамического диапазона и соответствующий группе младших разрядов, сигнал u₂(t)=0 из области больших значений динамического диапазона и соответствующий группе старших разрядов при u_вх1(t), не выходящем за пределы области малых значений (u_вх1(t) - входной усиливаемый сигнал), выходной сигнал u_S(t) (фиг.1а);

- сигнал u₁(t) из области малых значений динамического диапазона и соответствующий группе младших разрядов, сигнал u₂(t) из области больших значений динамического диапазона и соответствующий группе старших разрядов при u_вх2(t)>u_вх1(t), выходной сигнал u_S(t) (фиг.1б);

- сигнал u₁(t) из области малых значений динамического диапазона и соответствующий группе младших разрядов, сигнал u₂(t) из области больших значений динамического диапазона и соответствующий группе старших разрядов при u_вх3(t)>u_вх2(t), выходной сигнал u_S(t) (фиг.1в);

Временные диаграммы (фиг.1) получены путем функционального моделирования процесса усиления восьмиразрядного цифрового кода, разделенного на две группы разрядов по схеме, показанной на фиг.2.

Функциональная схема цифрового усилителя по фиг.2 содержит 4-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 1, 4-разрядный преобразователь ИКМ-ШИМ 2, аналоговый усилитель 3, усилитель 4 импульсов с демодулятором и сумматор 5. Выход сумматора 5 является выходом гибридного усилителя, 8-разрядным входом которого служат входы преобразователей 1 и 2, выходы которых подключены ко входам усилителей 3 и 4 соответственно, выходы которых в свою очередь подключены ко входам сумматора 5. Вход ЦАП 1 составляет группу младших разрядов входного кода, вход преобразователя ИКМ-ШИМ 2 составляет группу старших разрядов входного кода.

Функциональная схема цифрового усилителя по фиг.3 содержит 4-разрядный ЦАП 6, 4-разрядный преобразователь ИКМ-ШИМ 7, аналоговый усилитель 8, усилитель 9 импульсов с демодулятором и нагрузку усилителя сопротивлением R_L. Нагрузка цифрового усилителя подключена между выходами усилителей 8 и 9, 8-разрядным входом цифрового усилителя служат входы преобразователей 6 и 7, выходы которых подключены ко входам усилителей 8 и 9 импульсов соответственно. Вход ЦАП 6 составляет группу младших разрядов входного кода, вход преобразователя ИКМ-ШИМ 7 составляет группу старших разрядов входного кода.

Известно, что число U - отсчет аналогового сигнала - в позиционном счислении с основанием 2 выражается в виде ряда

U=a_N-12^N-1+a_N-22^N-2+...+a₂2²+a₁2¹+a₀2⁰,

где N - число разрядов (позиций) выбранной системы счисления, в данном случае равно числу разрядов двоичного кода U(n)=(a_N-1, а_N-2,...,а₁, а₀);

a_n - значение n-го разряда (n=0, 1, 2,...N-1)

2ⁿ - вес n-го разряда.

Представленное выражение любой разрядности (если N - конечное число) можно преобразовать, используя свойство дистрибутивности и получить в результате взвешенную сумму нескольких групп.

В качестве иллюстрации приведем отсчет U, описываемый восьмиразрядным двоичным кодом.

U=2⁴(a₇2³+a₆2²+a₅2¹+a₄2⁰)+a₃2³+a₂2²+a₁2¹+a₀2⁰.

В данном примере имеем две четырехразрядные группы: первая заключена в скобки и является группой старших разрядов с общим весовым коэффициентом 2⁴, а вторая группа - это группа младших разрядов, представленная четырьмя первыми членами справа. Из приведенной записи видно, что группа разрядов, обозначенная скобками, имеет те же веса разрядов, что и группа младших четырех разрядов. Следовательно, можно считать, что восьмиразрядное двоичное число u_S(n)=(a₇, a₆,...,a₁,a₀) у нас представлено в виде суммы двух четырехразрядных чисел u₁(n)=(a₃, a₂, a₁, a₀) и u₂(n)=(a₇, a₆, a₅, a₄) последнее из которых участвует в сложении с весовым коэффициентом. Показанные на фиг.1 аналоговые сигналы u₁(t) и u₂(t) получены путем преобразования из четырехразрядных двоичных кодов u₁(t) и u₂(t) соответственно и с учетом весовых коэффициентов. Взвешенная сумма двух аналоговых сигналов u₁(t) и u₂(t) и дает копию исходного сигнала u_S(t) (разумеется с погрешностями дискретизации и квантования)

u_S(t)=u₂(t)+u₁(t)=2⁴u₀₂(t)+u₁(t),

где u₀₂(t) - сигнал, соответствующий группе старших разрядов без учета весового коэффициента.

Таким образом, для усиления сигнала, представленного в восьмиразрядном двоичном коде u_S(t), его можно разбить на два сигнала пониженной разрядности и раздельно усилить каждый из них.

В основе способа лежит идея разбиения динамического диапазона сигнала на две области - область малых значений и область больших значений, и далее раздельное усиление полученных в результате такой сепарации сигналов. Ожидаемый эффект - повышение качества усиленного сигнала - обеспечивается за счет усиления слабого сигнала маломощным аналоговым прецизионным усилителем, а сильного - экономичным мощным усилителем, например, работающим в режиме класса D. Учитывая, что нелинейные искажения у усилителей последнего типа велики при малых значениях входного сигнала, то импульсный усилитель целесообразно использовать для усиления только сильных сигналов, то есть в области больших значений, где требуется высокая экономичность и обеспечивается допустимая нелинейность.

Для пояснения принципа раздельного усиления обратимся к фиг.1, где показаны три случая усиления сигналов, отличающихся амплитудами u_вх1(t)<u_вх2(t)<u_вх3(t). При слабом входном сигнале u_вх1(t) (фиг.1а), когда диапазон его мгновенных значений укладывается в группу младших разрядов цифрового кода, несущего информацию об этом сигнале, усиление происходит только в аналоговом канале, включающем в себя ЦАП 1 и аналоговый усилитель 3 (см. фиг.2). Выходной суммарный сигнал u_S(t)=u₁(t) состоит только из первой составляющей, так как u₂(t)=0. С повышением уровня входного сигнала и, например, при достижении значения u_вх2(t) (фиг.1б), активизируется еще и группа старших разрядов, сигнал с которых снимается для усиления в импульсном канале, состоящем из преобразователя 2 ИКМ-ШИМ и экономичного импульсного усилителя 4. Сигналы u₁(t) и u₂(t) суммируются в блоке 5, и на выходе усилителя формируется усиленный сигнал u_S(t)=u₁(t)+u₂(t), включающий в себя первую и вторую составляющие. Аналогично происходит усиление и при более высоком уровне сигнала u_вх3(t). Взвешивающее суммирование в настоящем примере может осуществляться как за счет применения взвешивающего сумматора, так и за счет выбора коэффициентов усиления К_U1 и К_U2 усилителей 3 и 4 соответственно, таким образом, чтобы выполнялось условие (К_U1/К_U2)=2⁴ (отношение коэффициентов усиления выбирают равным весовому коэффициенту, относящемуся к группе старших разрядов).

В общем случае при делении N-разрядного двоичного кода на две равные группы группе старших разрядов присваивают общий весовой коэффициент, равный , представляя исходный отсчет U в виде:

и формируют для дальнейших преобразований и усиления два -разрядных кода

и

Разумеется, гибридный усилитель может быть рассчитан и на работу с цифровыми кодами произвольной разрядности, разделенными на группы как равной, так и разной разрядности.

Схема, показанная на фиг.3, отличается от вышерассмотренной только тем, что сложение сигналов происходит непосредственно в нагрузке R_L за счет включения усилителей 8 и 9 в противофазе, следовательно, при подключении нагрузки R_L между выходами усилителей к ней будет прикладываться разность потенциалов, определяемая суммой модулей u₁(t) и u₂(t). Взвешивающее суммирование в этом случае происходит за счет выбора коэффициентов усиления K_U1 и К_U2 усилителей 8 и 9 соответственно, таким образом, чтобы выполнялось условие (К_U2/K_U1)=2⁴.

1. Способ усиления сигналов, отличающийся тем, что разряды цифрового кода, соответствующего отсчету аналогового сигнала, делят на две группы - группу младших разрядов и группу старших разрядов, цифровой сигнал, соответствующий группе младших разрядов, преобразуют в аналоговую форму, усиливают в аналоговой форме и получают первую составляющую выходного сигнала, цифровой сигнал, соответствующий группе старших разрядов, преобразуют в последовательность импульсов, модулированных по одному или нескольким временным параметрам, импульсы усиливают, после чего демодулируют и получают вторую составляющую выходного сигнала, взвешенная сумма составляющих является выходным усиленным сигналом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровой сигнал, соответствующий группе старших разрядов, преобразуют в последовательность широтно-модулированных импульсов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровой сигнал, соответствующий группе старших разрядов, преобразуют в последовательность частотно-модулированных импульсов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что цифровой сигнал, соответствующий группе старших разрядов, преобразуют в последовательность частотно- и широтно-модулированных импульсов.

5. Гибридный усилитель, включающий в себя импульсный канал усиления, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по одному или нескольким временным параметрам, усилитель импульсов с демодулятором, отличающийся тем, что в него введены сумматор и аналоговый канал усиления, содержащий цифроаналоговый преобразователь и аналоговый усилитель, импульсный канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе старших разрядов усиливаемого сигнала, аналоговый канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе младших разрядов усиливаемого сигнала, сумматор служит для сложения выходных сигналов двух каналов, выход сумматора служит для подключения нагрузки.

6. Гибридный усилитель по п.5, отличающийся тем, что входящий в состав импульсного канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.

7. Гибридный усилитель по п.5, отличающийся тем, что входящий в состав импульсного канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность частотно-модулированных импульсов.

8. Гибридный усилитель по п.5, отличающийся тем, что входящий в состав импульсного канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность частотно- и широтно-модулированных импульсов.

9. Гибридный усилитель, включающий в себя импульсный канал усиления, содержащий преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов, модулированных по одному или нескольким временным параметрам, усилитель импульсов с демодулятором, отличающийся тем, что в него введен аналоговый канал усиления, содержащий цифроаналоговый преобразователь и аналоговый усилитель, импульсный канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе старших разрядов усиливаемого сигнала, аналоговый канал предназначен для усиления сигнала, соответствующего группе младших разрядов усиливаемого сигнала, оба канала усиления включены в противофазе, выход каналов служат для подключения к ним нагрузки.

10. Гибридный усилитель по п.9, отличающийся тем, что входящий в состав импульсного канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность широтно-модулированных импульсов.

11. Гибридный усилитель по п.9, отличающийся тем, что входящий в состав импульсного канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность частотно-модулированных импульсов.

12. Гибридный усилитель по п.9, отличающийся тем, что входящий в состав импульсного канала преобразователь цифрового кода в последовательность импульсов выполнен в виде устройства, преобразующего цифровой сигнал в последовательность частотно- и широтно-модулированных импульсов.