Усилитель с широтно-импульсной модуляцией

(54) УСИЛИТЕЛНОЙ МОДУЛЯЦ М 6 й научно-и орфизприбодров и В.А.Га088.8) кобритании 03 Р 3/217, С ШИРОТНИЕЙ ледовател ьублик. 1978 -ИМПУЛЬС в цепь пряют интегра-.обладают иливаемого частотном ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ.ЬСТВУ Изобретение относится к усилительной технике и может быть использовано в качестве усилителя мощности сигналов низкой частоты и постоянного тока.Известны усилители с широтно-импуль сной.модуляцией (ШИМ), содержащие ключевой усилитель, на первый вход которого поступает входной низкочастотный (НЧ) сигнал, а второй вход соединен с выходом генератора опорного напряжения, В зависимости от характера нагрузки выход ключевого усилителя может быть соединен с ней непосредственно или через фильтр нижних частот (Ф Н Ч), выдел я ющий на .йагрузке полезные НЧ составляющие усиленного пО мощности импульсного сигнала.Такие усилители имеют высокий КПД, однако им свойственны искажения выходного сигнала вследствие неидеальности параметров ключевых элементов ключевого усилителя (инерционность, остаточные напряжения открытых транзисторов и диодов) и, нестабильности напряжения Е питания его выходного каскада.Для снижения таких искажений используют глубокую отрицательную связь с выхо(57) Изобретение относится кусилительной технике и может использоваться в качестве усилителя мощности сигналов низкой частоты и постоянного тока, Цель изобретения - уменьшение динамических искажений. Цель достигается путем управления уровнями ограничения входного сигнала непосредственно амплитудой импульсного сигнала обратной связи. 5 ил. да ключевого усилителя, причеммого усиления сигнала включатор, Такие усилители с ШИМвесьма низкими искажениями уссигнала (до 120) в широкомдиапазоне.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является усилитель с ШИМ, содержащий интегратор, вход которого соединен с входом ключевого усилителя. В ыход кл ючево го усилителя соединен с первым входом интегратора и является выходом устройства, второй вход интегратора соединен с выходом генератора опорного напряжения, а третий является входом устройства, В зависимости от характера нагрузки к выходу ключевого усилителя может быть подключен ФНЧ,Известный усилитель с ШИМ работает следующим образом.Ключевой усилитель 5 включается при положительном напряжении на выходе интегратора 3, а выключается при отрицательном. При этом опорный сигнал генератора 4 имеет вид меандра (фиг. За), который интегрируется интегратором 3 и превращается в(Ом+/ЗЕ)сз=(Ом - РЕ)( 2 з) 50 откуда 55 линейно изменяющееся напряжение О(фиг. Зб). Ключевой усилитель 5 переключается в момент равенства напряжения О и,интеграла разности напряжений (01 фиг.Зб), поступивших на первый и второй входы интегратора 3. На первый вход интегратора 3 поступает импульсноенапряжение О= ф Е с выхода ключевогоусилителя 5, где Е - амплитуда импульсов, а/3 коэффициент передачи напряжения с выхода усилителя 5 к входу интегратора 3. Благодаря применению в усилителе с ШИМглубокой отрицательной обратной связи свыхода ключевого усилителя 5 на вход интегратора 3 искажения его выходного сигнала снижаются в несколько раз в достаточношироком диапазоне частот,Однако вследствие включения в известном устройстве в цепи прямого усиленияинтегратора 3 ему свойственны значительные специфические динамические и фазовые искажения сигналов даже принезначительной перегрузке по входу, т.е,при входном сигнале О большем амплитуды импульсов О= -3 Е. 25Рассмотрим (фиг. 3) возникновение таких искажений на примере прямоугольногоусиливаемого сигнала ОЮ =ф Е. В этомслучае напряжение О 1-,/ О - ф Е на протяжении времени присутствия на входе устройства сигнала О фЕ возрастает довеличины Оаг, (фиг. Зб). После смены знакаусиливаемого сигнала (О О), напряжение01 спадает, а на выходе ключевого усилителя 5 присутствует положительное напряжение О=ф Е интервал времени сз, пока О 1 неспадет до амплитуды эквивалентного линейно-изменяющегося напряжения О.Аналогичное явление происходит и при обратном изменении полярноости усиливаемого сигнала О, Таким образом, при Ом3 Е выходное напряжение ключевого усилителя сдвинуто относительно усиливаемогона интервал тз (фазу Лр), который возрастает при увеличении Ом (фиг. 4). Этот времен ной сдвиг может быть оценен из условия(фиг. 3): Таким образом, при Ом 2 ф Е фазовый сдвиг ограниченного по амплитуде сигнала в устройстве-прототипе может превышать 45 и достигать 90, чего не наблюдается в устройстве без обратной связи и интегратора.Кроме того, при воздействии на вход устройства импульсной помехи амплитудой Оп и длительностью сг в течениеОпвремени Лт =( -- .1 ) т усилитель на 5 Еходится в состоянии перегрузки и не воспринимает сигналы на входе, что приводит как к дополнительным динамическим искажениям усиливаемого сигнала, так и снижению надежности в работе устройства. В реальных условиях работы Л 1 достигает 0,55 с(при Оп = 61,0/3 Е, сп =0,10,5 с) и более, что ухудшает характеристики усиления устройства и делает невозможным его применение в режиме усиления сломаных сигналов с большим динамическим диапазоном ("пик-фактором"). Так, при усилении сложного сигнала Ом (фиг, 5 а), превышающего некоторое время уровень,д Е, на выходе известного устройства возможна полная потеря информации по всем высокочастотным составляющим усиливаемого сигнала (фиг, 5 б).Цель изобретения - снижение динамических искажений.Для достижения цели в известный усилитель с ШИМ, содержащий ключевой усилитель, вход которого соединен с выходом суммирующего интегратора, а выход - с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом усилителя с широтно-импульсной модуляцией и через блок отрицательной обратной связи соединен с первым входом суммирующего интегратора, второй вход которого подключен к выходу генератора опорного напряжения, введены пиковый детектор и управляемый ограничитель сигнальный вход которого является входом усилителя с широтно-импульсной модуляцией, а выход соединен с третьим входом суммирующего интегратора, первый вход которого соединен через пиковый детектор с управляющим входом управляемого ограничителя.Таким образом, обеспечивается ограничение амплитуды усиливаемого сигнала на входе суммирующего интегратора на уровне амплитуды импульсов, поступающих через блок обратной связи с выхода ключевого усилителя и, следовательно, устраняется все виды динамических искажений. При изменении амплитуды импульсов (напряжения питания) ключевого усилителя, а также при изменении коэффициента передачи блока обратной связи автоматически изменяется и уровень ограничениж1713085 50 55 На фиг, 1 приведена структурная схема устройства-прототипа; на фиг. 2 - структурная схема предлагаемого усилителя; на фиг.3 - диаграммы напряжений, иллюстрирующие работу устройства-прототипа; на фиг. 5 За - сигнал с выхода генератора 2 опорного напряжения; на фиг. Зб - результат интегрирования разности усиливаемого (О) и выходного (О) сигналов, поступающих на первый и третий входы суммирующего 10 интегратора 1 - О 1; на фиг. Зв - усиливаемое напряжение Ом и импульсное О; на фиг. 4 - зависимость фазового сдвига усиливаемого прямоугольного сигнала от его относительной амплитуды О/ф Е; на фиг. 5 - 15 выходные сигналы устройства-прототипа (фиг. 5 б) и предлагаемого устройства (фиг.5 в) для сложного усиливаемого сигнала (фиг. 5 а).Усилитель с широтно-импульсной моду ляцией содержит последовательно соединенные управляемый ограничитель 2, суммирующий интегратор 3 и ключевой усилитель 5, выход которого через блок 6 обратной связи соединен с входом интегратора 3, 25 который в свою очередь через пиковый детектор 1 соединен с управляющим входом управляемого ограничителя 2. Второй вход суммирующего интегратора 3 соединен с выходом генератора 4 опорного напряже ния, а ключевой усилитель 5 выходом подключен к входу ФНЧ 7. Возможные реализации пикового детектора 1, а также управляемого ограничителя 2 показаны нафиг. 2. 35Суммирующий интегратор 3 может быть выполнен на основе интегратора и сумматора (причем сигналы по всем входам могут суммироваться, если ключевой усилитель 5 является инвертирующим, в противном слу чае вход 1 интегратора 3 является инверсным, аналогично устройству-прототипу.При малых усиливаемых напряжениях Омсигнал с ШИМ на выходе ключевого усилителя 5 формируется, как в устройстве прототипе, в результате сравнения интеграла разности усиливаемого сигнала и сигнала обратной Связи (О= .ф./3 Е) и прямоугольного напряжения генератора 4 опорного напряжения с нулевым потенциалом (порогом переключения ключевого усилителя 5).При превышении усиливаемым напряжением О уровня импульсного сигнала О= +ф Е, поступающего по цепи обратной связи на первый вход суммирующего интегратора 3; оно ограничивается управляемым ограничителем 2 на уровне (0,900,95) О. Необходимый порог ограничения формируется пиковым детектором 1 и подстраивается делителем напряжения К 1 К 2 (фиг. 2), Таким образом, при изменении амплитуды импульсов на выходе ключевого усилителя 5 порогограничения усиливаемого сигнала формируется оптимальным и напряжение на выходе интегратора не превышает амплитуды интегрированного напряжения генератора 4 опорного напряжения, что исключает задержку моментов переключения ключевого усилителя 5 и устраняет динамические искажения сигнала. Формула изобретения Усилитель с широтно-импульсной модуляцией, содержащий ключевой усилитель, вход которого соединен с выходом суммирующего интегратора, а выход - с входом фильтра нижних частот, выход которого является выходом усилителя с широтно-импульсной модуляцией и через блок отрицательной обратной связи соединен с первым входом суммирующего интегратора, второй вход которого подключен к выходу генератора опорного напряжения, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения динамических искажений, введены пиковый детектор и управляемый ограничитель, сигнальный вход которого является входом . усилителя с широтно-импульсной модуляцией, а выход соединен с третьим входом суммирующего интегратора, первый вход которого соединен через пиковый детектор с управляющим входом управляемого ограничителя.1713085 Составитель Л,ГалахоТехред М.Моргентал сина орректор Н.Ревск Реда кто аз 543 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва; Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина; 10