Цифровой усилитель мощности

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для усиления амплитудно-частотно-модулированного сигнала. Устройство содержит последовательно соединенные амплитудный детектор (АД) (1), вход которого является входом цифрового усилителя мощности (ЦУМ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (2), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (3), вычитатель (4), второй вход которого подключен к выходу АД (1), компаратор (К) (5), D-триггер (6), первый дополнительный ключевой усилитель (ДКУ) (7), сумматор (С) (8), фильтр нижних частот (ФНЧ) (9) и нагрузку (10). А также последовательно соединенные детектор полярности (ДП) (11), выход которого подключен к второму входу D-триггера (6), и фазоинвертор (ФИ) (12), дешифратор (ДШ) (13), входы которого подключены к соответствующим выходам АЦП (2). Выходы n пар ключевых усилителей (КУ) (14) и второго ДКУ (15) подключены к соответствующим входам (С) (8). Вход первого КУ (14) каждой пары соединен с выходом ДП (11) n пар управляемых ключей (УК) (16), причем первый из каждой пары УК (16) включен между выходом ДП (11) и входом второго (КУ) (14) каждой из n пар (КУ) (14), а второй - между выходом (ФИ) (12) и входом второго (КУ) (14) каждой из n пар (КУ) (14), а управляющие входы (УК) (16) подключены к соответствующим выходам ДШ (13). Дополнительно введены между входом АД (1) и вторым входом К (5) последовательно соединенные дополнительный ДП (17), дополнительный ФНЧ (18), выход которого подключен к входу ДП (11), фазовращатель на 90^o (19) и формирователь (20) абсолютной величины. Между выходом К (5) и входом второго дополнительного КУ (15) введены последовательно соединенные инвертор (21) и дополнительный D-триггер (22), второй вход которого подключен к выходу ФИ (12). Технический результат - устранение нелинейных искажений. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для усиления амплитудно-частотно-модулированного сигнала.

Известен усилитель мощности с разностным ключевым каналом (а.с. СССР N 1104647, кл. H 03 F 3/20, 1984 г., бюл. N 27).

Основным недостатком аналога является наличие в разностном канале регулируемого источника питания, что приводит к снижению КПД и увеличению массы и габаритов усилителя.

Указанного недостатка нет у цифрового усилителя мощности с разностным ШИМ-каналом (а.с. N 1771064, H 03 F 3/20, 1992 г., бюл. N 39). Данный прототип наиболее близок к предлагаемому изобретению.

Однако прототип имеет следующий недостаток: наличие нелинейных искажений в разностном ШИМ-канале, для частичного уменьшения которых приходится применять цепь обратной связи, состоящую из аттенюатора, дополнительного амплитудного детектора, дополнительного вычитателя и дополнительного сумматора.

Предлагаемым изобретением решается задача устранения нелинейных искажений в ШИМ-канале с помощью изменения вида зависимости длительности импульсов от амплитуды модулирующего разностного сигнала.

Для достижения этого технического результата в устройство, содержащее последовательно соединенные амплитудный детектор, вход которого является входом цифрового усилителя мощности, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, вычитатель, второй вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, компаратор, D-триггер, первый дополнительный ключевой усилитель, сумматор, фильтр нижних частот и нагрузку, последовательно соединенные детектор полярности, выход которого подключен к второму входу D-триггера, и фазоинвертор, дешифратор, входы которого подключены к соответствующим выходам аналого-цифрового преобразователя, а также n пар ключевых усилителей и второй дополнительный ключевой усилитель, выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора, при этом вход первого ключевого усилителя каждой пары соединен с выходом детектора полярности, и n пар управляемых ключей, причем первый из каждой пары управляемых ключей включен между выходом детектора полярности и входом второго ключевого усилителя каждой из n пар ключевых усилителей, а второй - между выходом фазоинвертора и входом второго ключевого усилителя каждой из n пар ключевых усилителей, а управляющие входы управляемых ключей подключены к соответствующим выходам дешифратора, дополнительно введены между входом амплитудного детектора и вторым входом компаратора последовательно соединенные дополнительный детектор полярности, дополнительный фильтр нижних частот, выход которого подключен к входу детектора полярности, фазовращатель на 90^o и формирователь абсолютной величины, а между выходом компаратора и входом второго дополнительного ключевого усилителя дополнительно введены последовательно соединенные инвертор и дополнительный D-триггер, второй вход которого подключен к выходу фазоинвертора.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения от указанного прототипа являются введенные между входом амплитудного детектора и вторым входом компаратора последовательно соединенные дополнительный детектор полярности, дополнительный фильтр нижних частот, выход которого подключен к входу детектора полярности, фазовращатель на 90^o, формирователь абсолютной величины и введенные между выходом компаратора и входом второго дополнительного ключевого усилителя последовательно соединенные инвертор и дополнительный D-триггер, второй вход которого подключен к выходу фазоинвертора.

Благодаря наличию этих признаков изменяется вид зависимости длительности импульсов в ШИМ-канале от амплитуды модулирующего разностного сигнала, что устраняет искажения и позволяет исключить цепь обратной связи.

Структурная схема предлагаемого цифрового усилителя мощности представлена на фиг. 1.

На фиг. 2 представлены эпюры, поясняющие формированию выходного сигнала цифрового усилителя мощности.

На фиг. 3 представлены эпюры, поясняющие формирование выходного сигнала ШИМ-канала.

Цифровой усилитель мощности содержит амплитудный детектор 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)2, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, вычитатель 4, компаратор 5, D-триггер 6, первый дополнительный ключевой усилитель 7, сумматор 8, фильтр нижних частот (ФНЧ) 9, нагрузку 10, детектор полярности 11, фазоинвертор 12, дешифратор 13, n пар ключевых усилителей 14₁ и 14₂, второй дополнительный ключевой усилитель 15, n пар управляемых ключей 16₁ и 16₂, дополнительный детектор полярности 17, дополнительный ФНЧ 18, фазовращатель на 90^o 19, формирователь абсолютной величины 20, инвертор 21, дополнительный D-триггер 22.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Амплитудно-частотно-модулированный входной сигнал (фиг. 2а) поступает на вход амплитудного детектора 1 и на вход дополнительного детектора полярности 17. С выхода амплитудного детектора 1 огибающая входного сигнала (фиг. 2б) поступает на вход АЦП 2, выходы которого подключены к соответствующим входам дешифратора 13 и ЦАП 3.

С выхода дополнительного детектора полярности 17 через последовательно соединенные дополнительный ФНЧ 18 и детектор полярности 11 сигнал (фиг. 2в) поступает на вход фазоинвертора 12 и на сигнальные входы первых управляемых ключей 16₁ каждой из n пар. На сигнальные входы вторых управляемых ключей 16₂ каждой из n пар сигнал поступает с выхода фазоинвертора 12. С соответствующих выходов дешифратора 13 поступают сигналы на управляющие входы n пар управляемых ключей 16₁ и 16₂, что позволяет возбуждать ключевые усилители 14₁ и 14₂ каждой из n пар либо в фазе, либо в противофазе в зависимости от уровня огибающей входного сигнала. Таким образом, суммарное выходное напряжение n пар ключевых усилителей 14₁ и 14₂ представляет собой ступенчатую аппроксимацию входного сигнала (фиг. 2г).

Разностный ШИМ-канал работает следующим образом.

ЦАП 3 формирует сигнал (фиг. 2д), являющийся ступенчатой аппроксимацией огибающей входного сигнала. Форма этого сигнала полностью соответствует форме огибающей суммарного выходного напряжения n пар ключевых усилителей 14₁ и 14₂. Сигнал с выхода ЦАП 3 поступает на первый вход вычитателя 4, на второй вход которого поступает огибающая входного сигнала с выхода амплитудного детектора 1. На выходе вычитателя 4 формируется сигнал kU_разн (фиг. 2е), пропорциональный разности сигналов, поступающих на его входы. Сигнал kU_разн поступает на первый вход компаратора 5, на второй вход которого поступает опорный сигнал.

Опорный сигнал формируется следующим образом.

Сигнал с выхода дополнительного детектора полярности 17 через дополнительный ФНЧ 18, где выделяется первая гармоника, и через фазовращатель на 90^o, где происходит фазовый сдвиг на 90^o, поступает на формирователь абсолютной величины 20, с выхода которого снимается опорный сигнал U_oп = U₀|sinωt| (фиг. 2ж), где ω = 2π/T, T - период входного сигнала.

Сигналы kU_разн и U_оп сравниваются с помощью компаратора 5 (фиг. 3а), на выходе которого формируется последовательность импульсов (фиг. 3б). Сигнал kU_разн медленно меняется относительно сигнала U_оп.

Из фиг. 3а следует, что фаза ωΔt/2 = arcsin(kU_разн/U₀) = arcsin(k₁U_разн). Коэффициент k выбирается так, чтобы фаза ωΔt/2 изменялась от 0 до π/2, т. е. чтобы величина k₁U_разн изменялась от 0 до 1. В прототипе эта зависимость имеет линейный характер, т.к. опорный сигнал формируется генератором линейно изменяющегося напряжения.

Последовательность импульсов (фиг. 3б) поступает на тактовый вход D-триггера 6, а через инвертор 21 - на тактовый вход дополнительного D-триггера 22. При этом на информационные входы D-триггера 6 и дополнительного D-триггера 22 поступают сигналы с выхода детектора полярности 11 и с выхода фазоинвертора 12 соответственно. С выходов D-триггера 6 и дополнительного D-триггера 22 сигналы, сдвинутые по фазе на (π-ωΔt) (фиг. 3в и 3 г), поступают на входы первого дополнительного ключевого усилителя 7 и второго дополнительного ключевого усилителя 15 соответственно, с выходов которых сигналы поступают на сумматор 8, где суммируются друг с другом и с выходными сигналами n пар ключевых усилителей 14₁ и 14₂. Суммарный выходной сигнал первого дополнительного ключевого усилителя 7 и второго дополнительного ключевого усилителя 15 представлен на фиг. 3д. Амплитуда первой гармоники этого сигнала.

Из формулы видно, что зависимость линейная, т.е. отсутствуют нелинейные искажения в разностном ШИМ-канале.

В прототипе Зависимость нелинейная, т.е. в ШИМ-канале прототипа имеются нелинейные искажения.

С выхода сумматора 8 результирующий сигнал (фиг. 2з) поступает на ФНЧ 9, где выделяется первая гармоника, которая поступает в нагрузку 10. Сигнал, поступающий в нагрузку 10, является усиленным входным сигналом.

Формула изобретения

Цифровой усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные амплитудный детектор, вход которого является входом цифрового усилителя мощности, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, вычитатель, второй вход которого подключен к выходу амплитудного детектора, компаратор, D-триггер, первый дополнительный ключевой усилитель, сумматор, фильтр нижних частот и нагрузку, последовательно соединенные детектор полярности, выход которого подключен к второму входу D-триггера, и фазоинвертор, дешифратор, входы которого подключены к соответствующим выходам аналого-цифрового преобразователя, а также n пар ключевых усилителей и второй дополнительный ключевой усилитель, выходы которых подключены к соответствующим входам сумматора, при этом вход первого ключевого усилителя каждой пары соединен с выходом детектора полярности, и n пар управляемых ключей, причем первый из каждой пары управляемых ключей включен между выходом детектора полярности и входом второго ключевого усилителя каждой из n пар ключевых усилителей, и второй - между выходом фазоинвертора и входом второго ключевого усилителя каждой из n пар ключевых усилителей, а управляющие входы управляемых ключей подключены к соответствующим выходам дешифратора, отличающийся тем, что между входом амплитудного детектора и вторым входом компаратора ведены последовательно соединенные дополнительный детектор полярности, дополнительный ФНЧ, выход которого подключен к входу детектора полярности, фазовращатель на 90^o и формирователь абсолютной величины, а между выходом компаратора и входом второго дополнительного ключевого усилителя введены последовательно соединенные инвертор и дополнительный D-триггер, второй вход которого подключен в выходу фазоинвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3