Многоканальный ключевой усилитель

 

Использование: в радиопередающих устройствах в качестве модулятора. Сущность изобретения: многоканальный ключевой усилитель содержит блок 1 формирования управляющих сигналов и формирователь 2 ступенчатого напряжения, состоящий из N последовательно включенных ячеек 3. Новым является выполнение блока 1 в виде источника 6 постоянного напряжения, резистивного делителя 9, N сумматоров 7, N компараторов 8, генератора 10 пилообразного напряжения и предварительного усилителя 11, благодаря чему уменьшается число коммутаций полупроводниковых ключей, входящих в состав формирователя 2 при сохранении высоких качественных показателей входного сигнала. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах в качестве модулятора.

Использование ключевых модуляторов позволяет повысить КПД радиопередатчиков, снизить их массу и габариты. Определенными преимуществами обладают модуляторы на полупроводниковых приборах, так как полупроводниковые приборы более надежны в работе и обладают лучшими ключевыми свойствами, чем лампы. Однако из-за ограниченной мощности полупроводниковых ключей в достаточно мощных модуляторах приходится использовать суммирование мощностей отдельных ячеек, как это делается, например, в системах с многозонной импульсной модуляцией. Недостатком модуляторов с многозонной импульсной модуляцией являются дополнительные этапы преобразования энергии (т. к. кроме преобразования энергии в импульсную форму в таких устройствах присутствует также преобразование энергии в импульсном трансформаторе и демодуляторе на полупроводниковых приборах), что приводит к дополнительным потерям мощности, а также усложняет схемы модуляторов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ключевой усилитель, который содержит формирователь ступенчатого напряжения (ФСН), состоящий из N последовательно включенных ячеек, причем к входам ячеек подключены соответствующие выходы схемы управления, представляющей собой многоуровневый компаратор, т. е. число включенных ячеек оказывается пропорциональным уровню входного сигнала. Таким образом, ФСН формирует ступенчатое напряжение, которое грубо воспроизводит усиливаемый сигнал, точное же "отслеживание" формы сигнала осуществляется дополнительным ключевым усилителем, выход которого включен последовательно с выходом ФСН, а на вход подается сигнал ошибки. Такая реализация ключевого усилителя практически целесообразна при очень больших уровнях выходной мощности (сотни киловатт). В этом случае ячейки, входящие в состав ФСН, могут быть реализованы на достаточно мощных, но обладающих ограниченным быстродействием запираемых тиристоров, а дополнительный усилитель - на быстродействующих полевых или биполярных транзисторах. Однако, если речь идет о больших, но ограниченных уровнях мощности (единицы или десятки киловатт), ячейки ФСН также могут быть реализованы на транзисторах. В этом случае наличие дополнительного усилителя не является принципиально необходимым и приводит к излишним коммутационным потерям, что является недостатком прототипа.

Целью изобретения является снижение коммутационных потерь.

Это достигается тем, что в многоканальном ключевом усилителе, содержащем схему формирования управляющих сигналов, имеющих N выходов, которые подключены к соответствующим входам формирователя ступенчатого напряжения, состоящего из N последовательно включенных ячеек, причем выход формирователя ступенчатого напряжения через фильтр низкой частоты подключен к нагрузке, схема формирования управляющих сигналов выполнена в виде источника постоянного напряжения, N сумматоров и N компараторов, причем положительный вывод источника постоянного напряжения подключен к последнему отводу делителя, состоящего из N последовательно включенных резисторов одинаковой величины, первый отвод делителя подключен к отрицательному выводу источника постоянного напряжения и к первому входу первого сумматора, остальные отводы делителя подключены к первым выходам соответствующих сумматоров, вторые входы всех сумматоров соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, а выходы сумматоров подключены к инвертирующим входам соответствующих компараторов, выходы которых являются выходами схемы формирования управляющих сигналов, а неинвертирующие входы компараторов соединены с выходом предварительного усилителя, вход которого является входом для усиливаемого сигнала.

На фиг. 1 показаны эпюры напряжений, которые характеризуют работу устройства, являющегося прототипом, а также устройства по изобретению; на фиг. 2 - функциональная схема предлагаемого усилителя.

Введение новых признаков влечет за собой новые свойства усилителя, заключающиеся в том, что весь диапазон изменения величины усиливаемого сигнала, оказывается разбитым на N расположенных друг над другом "зон", в пределах каждой из которой действует свое опорное пилообразное напряжение (см. фиг. 1, где N = 2, 1 и 2 - опорные напряжения, 3 - усиливаемый сигнал). Когда усиливаемый сигнал находится в пределах какой-либо "зоны, на выходе соответствующей ячейки ФСН присутствуют импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в противном случае напряжение на выходе ячейки не изменяется (см. фиг. 1, где 4 и 5 - выходные напряжения ячеек). Напряжение на выходе ФСН 6 является суммой выходных напряжений ячеек. В прототипе выходное напряжение имеет точно такой же вид, что и 6, но формируется другим образом. Напряжения на выходах ячеек (7 на фиг. 1) изменяются в этом случае лишь при переходе сигнала из "зоны" в "зону", а на выходе дополнительного усилителя постоянно присутствуют ШИМ-импульсы (8). Из фиг. 1 видно, что напряжения 7 и 8 также в сумме дают напряжение 6, однако в моменты перехода сигнала из зоны в зону (момент t_о на фиг. 1) происходят коммутации напряжений одной из ячеек и дополнительного усилителя, которые никак не отражаются на форме выходного напряжения 6, следовательно, не несут никакой полезной информации. Если формирователь ступенчатого напряжения содержит, например, около 30 ячеек, то при полном размахе усиливаемого сигнала за период низкой частоты произойдет 60 "бесполезных" переключений ячеек и столько же переключений дополнительного усилителя. Если частота опорных пилообразных напряжений порядка 100 кГц, то даже при средних частотах модуляции (1-2 кГц) указанные потери будут составлять примерно половину всех коммутационных потерь в модуляторе. В предлагаемом техническом решении потери подобного рода не возникают, что видно по форме напряжений ячеек 4 и 5 (фиг. 1).

Учитывая вышесказанное, а также то, что в просмотренной автором литературе подобная совокупность признаков не встречена, отличительные признаки можно считать существенными.

Функциональная схема, приведенная на фиг. 2, включает схему (блок)1 формирования управляющих сигналов, формирователь 2 ступенчатого напряжения, состоящий из N последовательно включенных ячеек 3_i (i = 1, 2, . . . N), фильтр 4 низкой частоты, нагрузку 5, источник 6 постоянного напряжения N сумматоров 7_i, N компараторов 8_i, делитель 9, генератор 10 пилообразного напряжения 10 и предварительный усилитель 11.

При этом выходы схемы 1 формирования управляющих сигналов подключены к соответствующим входам формирователя 2 ступенчатого напряжения, состоящего из N последовательно включенных ячеек 3_i, причем выход формирователя 2 ступенчатого напряжения через фильтр 4 низкой частоты подключен к нагрузке 5, схема 1 формирования управляющих сигналов выполнена в виде источника постоянного напряжения 6, N сумматоров 7_i и N компараторов 8_i, причем положительный вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к последнему отводу делителя 9, состоящего из N последовательно включенных резисторов одинаковой величины, первый отвод делителя 9 подключен к отрицательному выводу источника 6 постоянного напряжения и к первому входу первого сумматора 7₁, остальные отводы делителя 9 подключены к первым входам соответствующих сумматоров 7_i, вторые входы всех сумматоров 7_i соединены с выходом генератора пилообразного напряжения 10, а выходы сумматоров 7_i подключены к инвертирующим входам соответствующих компараторов 8_i, выходы которых являются выходами схемы 1 формирования управляющих сигналов, а неинвертирующие входы компараторов 8_i соединены с выходом предварительного усилителя 11, вход которого является входом для усиливаемого сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Модулирующий сигнал U_вх поступает на предварительный усилитель 11, который усиливает его таким образом, что при полном размахе входного сигнала напряжение на выходе усилителя 11 находится в пределах от нуля до +Е где Е - напряжение на выходе источника 6.

Опорное напряжение, имеющее размах Е/N, поступает с выхода генератора 10 пилообразного напряжения на входы сумматоров 7_i, где, суммируясь с напряжениями, поступающими с отводов делителя 9 формирует на инвертирующих входах компараторов 8_i пилообразные напряжения, сдвинутые по вертикали друг относительно друга на величину Е/N (см. фиг. 1, напряжения 1 и 2). На неинвертирующие входы компараторов поступает напряжение с выхода усилителя 11, таким образом, когда усиливаемый сигнал превосходит по величине какое-либо из опорных напряжений, на выходе соответствующего компаратора присутствует сигнал, отпирающий соответствующую ячейку 3i, входящую в состав формирователя 2, в противном случае напряжение на выходе ячейки равно нулю (см. напряжения 4 и 5 на фиг. 1). Выходные напряжения ячеек 3_i суммируются (напряжения 6 на фиг. 1) и после фильтра низкой частоты, устраняющего пульсации тактовой частоты, поступают в нагрузку, роль которой играет оконечный каскад радиопередатчика.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется тем, что удается по сравнению с прототипом снизить коммутационные потери в модуляторах радиопередатчиков, следовательно уменьшить потребление электроэнергии. (56) Заявка ФРГ N 3044956, кл. Н 03 F 3/217, опублик. 1981.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий блок формирования управляющих сигналов, вход которого является входом многоканального ключевого усилителя, а N выходов подключены к соответствующим N входам формирователя ступенчатого напряжения, выполненного на N ячейках, соединенных последовательно, причем выход формирователя ступенчатого напряжения через фильтр низкой частоты подключен к нагрузке, отличающийся тем, что, с целью снижения коммутационных потерь, блок формирования управляющих сигналов выполнен на источнике постоянного напряжения, параллельно которому включен делитель напряжения, выполненный на соединенных последовательно N резисторах, имеющих одинаковую величину сопротивления, на N сумматорах, N компараторах, выходы которых являются соответствующими выходами формирователя управляющих сигналов, генераторе пилообразного напряжения и предварительном усилителе, вход которого является входом формирователя управляющих сигналов, выход предварительного усилителя соединен с первыми входами N компараторов, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих N сумматоров, к первым входам которых подключен выход генератора пилообразного напряжения, а к вторым входам - соответствующие N отводы делителя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2