МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D
MULTICHANNEL AMPLIFIER OF D CLASS

Изобретение относится к области усилительной и генераторной техники и может быть использовано в широкополосных передающих трактах звукового диапазона частот для радиовещания и звукоподводной связи.
Известны ключевые усилители мощности (усилители класса D), использующие широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) и обеспечивающие высокоэффективное усиление широкополосных сигналов звукового диапазона частот [1, 2]. Реализация методов ключевого усиления выгодно отличает усилители с ШИМ от линейных усилителей с энергетической точки зрения, особенно при работе на комплексную нагрузку. Формирование импульсов, модулированных по длительности по мгновенным значениям усиливаемых сигналов, например в результате сравнения с опорным симметричным пилообразным напряжением, обеспечивает линейность модуляционной характеристики, оптимизацию структуры спектра импульсного напряжения и, как следствие, высокое качество выходных напряжений усилителей класса D.
Наряду с высокой энергетической эффективностью дополнительным преимуществом широкополосных ключевых усилителей мощности (КУМ) является стабильность выходного напряжения при изменении нагрузки в широких пределах, что обусловлено весьма низким собственным сопротивлением транзисторов в открытом состоянии.
Современные сильноточные полевые транзисторы позволяют обеспечить коммутацию выходного тока в десятки и сотни ампер при сопротивлении открытых каналов не более 0,01…0,1 Ом. В результате ключевые усилители мощности могут быть представлены генераторами низкочастотного напряжения с весьма малым собственным сопротивлением, с последовательно включенным дросселем выходного фильтра нижних частот (ФНЧ).
L
н
В усилителях класса D величина индуктивности дросселя выбирается из условия фильтрации выходного напряжения звуковых частот F без искажения амплитудно-частотной характеристики, что достигается при индуктивном сопротивлении x=2πF значительно меньше номинального сопротивления нагрузки z. В ряде случаев, например в устройствах, описанных в [3, 5], для уменьшения индуктивности результирующего выходного фильтра используется многоканальная ШИМ, что позволяет повысить суммарную частоту импульсного напряжения и облегчает фильтрацию дополнительных высокочастотных составляющих спектра суммарного выходного сигнала.
Стабильность нагрузочных характеристик усилителей класса D особенно значима при построении многоканальных гидроакустических передающих трактов, где требуется высокая идентичность амплитуды и фазы выходных напряжений заданного амплитудно-фазового распределения входных сигналов. Выполнение настоящих требований является обязательным условием возбуждения излучающих гидроакустических антенн как фазированных антенных решеток (ФАР) с электронным управлением диаграммой направленности (ДН).
Вместе с тем, выделенное достоинство усилителей класса D связано с возможностью практически неограниченного нарастания выходного тока при резком уменьшении импеданса нагрузки либо увеличении пик-фактора усиливаемых сигналов, что может привести к возникновению аварийных режимов перегрузки и выходу из строя элементов оконечных каскадов усиления. Возникновение таких ситуаций является типичным при электронном сканировании ДН по причине изменения импеданса отдельных элементов ФАР в зависимости от места в пятне излучения, особенно при излучении сложных пилообразных сигналов со значительным пик-фактором.
Немаловажным фактором обеспечения надежности работы многоканальных передающих трактов является защита отдельных каналов как от режимов кратковременной перегрузки, так и от возможной неисправности каналов ФАР, включая режимы, близкие к короткому замыканию.
Попытка использовать отрицательную обратную связь по выходному току усилителей, аналогично известному решению [4], приводит усилитель класса D в режим генератора тока. В результате обеспечения надежной работы при токовой перегрузке лишает широкополосный усилитель преимуществ стабильности выходного напряжения и тем самым ограничивает область применения в многоканальных гидроакустических передающих трактах.
Наиболее близким аналогом по количеству общих признаков к предлагаемому устройству является многоканальный усилитель класса D, реализованный в гидроакустическом передающем тракте по патенту РФ 2195687 [5]. Устройство-прототип содержит k-канальный широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП), k каналов КУМ 2.1…2.k, k датчиков тока 3.1…3.k (ДТ), причем выходы датчиков тока через амплитудный дискриминатор 5, выполненный по схеме диодно-резистивного сумматора, соединены со входом запрета k-канального ШИП, а также k-канальное трансформаторное согласующее устройство 4, содержащее ряд согласующих трансформаторов 4.1…4.k. Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1.
Работа устройства-прототипа осуществляется следующим образом.
1…
k
1…
k
Входные сигналы u (uu) поступают на входы k-канального ШИП, где преобразуются в ряд сигналов с ШИМ. По известным правилам входные сигналы сравниваются с рядом пилообразных напряжений, в результате формируются прямые V (VV) и инверсные  модулированные импульсные последовательности (представлены на фиг. 2), поступающие на входы каналов КУМ.
В k-канальном ШИП реализована схема защиты, которая запрещает прохождение сигналов на выходы ШИП при превышении сигналов на входах амплитудного дискриминатора установленного уровня защиты.
2
k
В отсутствие режима защиты сигналы с ШИМ поступают на входы соответствующих КУМ, на выходах которых через дроссель фильтрации в составе КУМ формируются импульсные напряжения Е (Е…E), поступающие далее через датчик тока на входы многоканального трансформаторного согласующего устройства.
н
н1
нk
L
L1
Lk
I
1I
kI
При наличии нагрузки, как правило, содержащей емкостное звено фильтрации на выходах согласующего устройства, формируются низкочастотные напряжения u (u…U) и через цепь нагрузки замыкаются выходные токи i (i…i), обеспечивающие возбуждение каналов гидроакустической антенны. При этом на выходах датчиков тока, выполненных, например, на трансформаторах тока, формируются контрольные сигналы u (u…U), пропорциональные величине выходного тока соответствующих каналов согласующего устройства.
i
i
Выходной ток i-го канала определяется выходным напряжением E и импедансом нагрузки z.
м
Пороговое устройство амплитудного дискриминатора обеспечивает сравнение максимального выходного тока каналов с заданным предельным значением I, определяющим границу режима безопасной работы КУМ, область которого определяется условием:
I
o
В режиме токовой перегрузки, при нарушении условия (1), срабатывает пороговое устройство амплитудного дискриминатора, формируя сигнал, который поступает на вход защиты k-канального ШИП. При u>u срабатывает схема защиты в составе ШИП, закрывая прохождение сигналов на входы КУМ, тем самым предотвращая дальнейшее нарастание выходного тока КУМ до опасных значений для устранения режима токовой перегрузки.
Таким образом, устройство-прототип сохраняет работоспособность только при отсутствии экстремальных режимов в условиях номинальных значений импеданса нагрузки и уровня выходного сигнала. Предотвращение аварийных режимов, связанных с понижением импеданса нагрузки либо пик-фактором выходного напряжения, в известном устройстве достигается срабатыванием механизмов защиты и отключением всех каналов усиления на цикл излучения при превышении выходным током одного из каналов предельного значения, определяющего границу области безопасной работы.
В результате для обеспечения безаварийной работы устройства-прототипа требуется его отключение в режиме излучения, что в многоканальном гидроакустическом передающем тракте (ГАПТ) нарушает диаграмму направленности ГАК, особенно в режимах направленной звукоподводной связи и значительно уменьшает эффективную мощность передающего тракта.
Восстановить работоспособность ГАК при использовании устройства-прототипа в большинстве практических случаев можно только при понижении уровня выходной мощности каналов усиления до безопасного уровня, что приводит к понижению эффективности ГАПТ режимов звукоподводной связи более чем в два раза и ограничивает область применения известного технического решения.
Задачей настоящего изобретения является повышение энергетической эффективности при обеспечении надежности работы многоканального усилителя класса D в широкополосных ГАПТ.
Для решения поставленной задачи в известное устройство, содержащее k шин входного сигнала, k-канальный широтно-импульсный преобразователь, выходы которого соединены со входами k соответствующих ключевых усилителей мощности, выходы которых через датчики тока соединены со входами k-канального трансформаторного согласующего устройства, выходы которого соединены с соответствующими k шинами выходного сигнала, введена новая совокупность блоков и связей.
В устройство дополнительно введены k-канальный временной дискриминатор, k сумматоров и к пороговых аттенюаторов, а k-канальный широтно-импульсный преобразователь содержит вход управления, соединенный с шиной управления многоканального усилителя класса D, причем входы сумматоров соединены с шинами входного сигнала, а выходы соответственно подключены ко входам многоканального широтно-импульсного преобразователя, вторые входы сумматоров подключены к соответствующим первым выходам k пороговых аттенюаторов, входы которых соединены с выходами датчиков тока, а вторые выходы пороговых аттенюаторов подключены ко входам временного дискриминатора, причем выходы временного дискриминатора соединены со входами защиты k-канального широтно-импульсного преобразователя. При этом каждый пороговый аттенюатор выполнен на резистивном делителе, связанном через пороговый элемент с транзисторами оптопары, и каждый сумматор выполнен резистивным; причем каждый канал временного дискриминатора выполнен на RC цепи и пороговом устройстве на триггере Шмидта, который связан со входами защиты k-канального широтно-импульсного преобразователя.
Для повышения надежности k-канальный широтно-импульсный преобразователь может быть выполнен на основе k каналов ШИМ, каждый из которых состоит из компаратора и схемы разрешения, а также содержит k-канальный генератор пилообразного напряжения (ГПН) и k-канальную схему защиты, причем первые входы компараторов являются входами ШИП, а вторые входы подключены к соответствующим выходам k-канального ГПН, выходы компараторов соединены с первыми входами соответствующих схем разрешения, а выходы схем разрешения через выходы k-канального ШИП подключены к входам соответствующих ключевых усилителей мощности, причем вторые входы схем разрешения подключены к соответствующим выходам k-канальной схемы защиты, при этом первые входы k-канальной схемы защиты подключены к шине управления многоканального усилителя класса D, вторые выходы - к выходам k-канального временного дискриминатора.
Техническим результатом от использования изобретения является повышение энергетической эффективности при бесперебойной работе многоканального усилителя класса D в широкополосных ГАПТ в условиях экстремальных режимов.
Обеспечение технического результата достигается реализацией ограничения выходного тока отдельных каналов многоканального усилителя класса D (каналов усиления) в экстремальных режимах при уменьшении импеданса нагрузки и пик-факторов сигнала. При этом срабатывание механизма защиты в предлагаемом устройстве предусмотрено только для длительных режимов перегрузки отдельных каналов, обусловленных функциональной неисправностью либо режимами короткого замыкания. Для широкополосных ГАПТ режимов связи имеет место экстремальное увеличение сигнала более чем на 6 дБ при возможности двукратного уменьшения нагрузки. В этих условиях достигаемый технический результат для заданной номинальной мощности многоканального усилителя класса D позволяет более чем в 2…3 раза увеличить энергетическую эффективность его использования в составе ГАК.
Причем при аварийной ситуации в одном из каналов усиления в предлагаемом техническом решении обеспечивается отключение только неисправного канала, а не группы каналов, как в устройстве-прототипе, что также повышает эффективность использования заявляемого многоканального усилителя класса D.
Совокупность вновь введенных блоков и связей в известных устройствах усилительной техники ранее не использовалась, и внедрение в состав предлагаемого многоканального усилителя класса D позволяет обеспечить ограничение выходного тока отдельных каналов в области безопасной работы для экстремальных режимов при сохранении устойчивой работы в цикле излучения, чем достигается повышение энергетической эффективности и обеспечение надежного функционирования устройства в составе ГАПТ. Положительный эффект в предлагаемом техническом решении достигается реализацией нелинейного режима ограничения выходного напряжения для стабилизации выходного тока при возникновении динамической токовой перегрузки и отключении неисправного канала только в условиях длительной перегрузки.
Особенность реализации устройства-прототипа и сущность изобретения поясняются на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, фиг. 4 соответственно. Структурные схемы устройства-прототипа и предлагаемого устройства показаны на фиг. 1 и фиг. 3, а временные диаграммы, поясняющие их работу, иллюстрируются на фиг. 2 и фиг. 4. Дополнительно на фиг. 5 приведен пример конкретной реализации каналов вновь вводимых блоков сумматора, порогового аттенюатора и временного дискриминатора.
Предлагаемый многоканальный усилитель класса D (фиг. 3) содержит k шин входного сигнала, k-канальный широтно-импульсный преобразователь 1 (ШИП), k каналов КУМ 2.1…2.k, k датчиков тока 3.1…3.k (ДТ), многоканальное согласующее трансформаторное устройство 4, содержащее ряд согласующих трансформаторов 4.1…4.k, многоканальный временной дискриминатор 5, ряд сумматоров 8.1…8.k и ряд пороговых аттенюаторов 9.1…9.k, а так же k-шин выходного сигнала. Многоканальный ШИП строится на k каналах ШИМ 1.1… 1.k, k-канальном ГПН 6 и схеме защиты 7, которая по известным правилам выполнена многоканальной. Каналы ШИМ в свою очередь выполняются на основе компараторов 1.1.1…1.k.1 и схем разрешения 1.1.2…1.k.2.
Ключевые усилители мощности КУМ 2.1…2.k, компараторы 1.1.1…1.k.1 и каналы k-канального генератора напряжения ГПН 6 выполняются по известным правилам реализации усилителя класса D с широтно-импульсной модуляцией [1, 2].
В предлагаемом устройстве, так же как в устройстве-прототипе, может быть реализован потенциал многоканальной ШИМ посредством формирования опорных пилообразных напряжений интегрированием ряда импульсных сигналов типа меандр опорной частоты равномерно сдвинутых по фазе.
Блоки 3.1…3.k и блоки 4.1…4.k выполняются по известным трансформаторным схемам: трансформатора тока и согласующего трансформатора.
Каждый канал схем защиты и схем разрешения (блоки 7 и 1.1.2…1.k.2) может быть реализован на логических схемах.
Каналы вновь введенных блоков, такие как сумматор 8.1…8.k и пороговый аттенюатор 9.1…9.k, а также каналы временного дискриминатора 5 реализуются согласно установленным требованиям. Пример реализации каналов вновь введенных блоков приведены на фиг. 5, а на фиг. 6 представлены временные диаграммы сигналов, поясняющие их работу. Вариант реализации порогового аттенюатора (фиг. 5) содержит резистивный делитель R1, R2, пороговые устройства VD1, VD2. Сумматор может быть выполнен резистивным на резисторах R3, R4, R5. С учетом выхода контрольного сигнала с порогового аттенюатора по схеме включения транзисторов оптопар VT1, VT2 с открытым коллектором, канал временного дискриминатора согласно приведенному примеру выполняется на RC цепи (R6, С1) и пороговом устройстве на триггере Шмидта DD1.
При этом длительный режим ограничения приводит к разряду емкостного звена С1 RC цепи до уровня срабатывания релейного элемента DD1, что приводит к срабатыванию SR триггера в канале схемы запрета и обеспечивает блокировку неисправного канала на весь цикл излучения.
Представленный пример выполнения вновь введенных блоков заявляемого технического решения подтверждает реализуемость изобретения и позволяет наиболее простым образом выполнить задачу передачи сигнала с выхода датчика тока при превышении установленного уровня на вход сумматора и тем самым организовать отрицательную обратную связь для стабилизации выходного тока.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
н
p
При поступлении команды управления (высокий уровень сигнала на шине управления многоканального усилителя класса D) импульсные сигналы с ШИМ V и , формируемые компараторами 1.1.1…1.k.1, поступают через схемы разрешения 1.1.2… 1.k.2 на входы ключевого усилителя мощности 2.1…2.k. В результате на выходе каналов усиления формируется выходное напряжение U, определяемое разностными сигналами u, поступающими на входы компараторов 1.1.1…1.k.1 с выходов сумматоров 8.1…8.k.
I
o
ос
p
Для номинальных режимов работы амплитуда токов на выходах отдельных каналов ключевого усиления не превышает опасных значений, что соответствует выполнению условия (1). В таких режимах сигналы u с выходов датчиков тока 3.1…3.k не превышают пороговых значений u пороговых аттенюаторов 9.1…9.k, соответственно сигнал uравен нулю и не влияет на величину разностного сигнала u (сигналы проиллюстрированы на фиг. 4):
с
где K - коэффициент передачи входного сигнала через сумматор.
При выполнении условия (2) напряжения на выходе каналов усиления пропорционально входному сигналу и обладают стабильной нагрузочной характеристикой для номинального диапазона изменения нагрузки.
н min
где Z минимальное допустимое значение импеданса нагрузки, соответствующее условию:
н mах
м
где I и I - максимальная амплитуда и предельное значение выходного тока каналов.
н min
н mах
ос
В условиях уменьшения импеданса нагрузки ниже Z либо при превышении номинального значения напряжения на нагрузке максимального значения U может иметь место нарушение условия (1), что приводит к формированию сигнала u на выходе порогового аттенюатора.
I
ос
Сигнал u и соответственно сигнал u (приведены на фиг. 4) формируются противофазно входному сигналу, что соответствует введению отрицательной обратной связи (ООС) по выходному току каналов усиления.
ос
В результате прохождения сигнала u на один из входов сумматора результирующий сигнал на его выходе изменяет свое значение и уменьшается из условия ограничения выходного тока канала усиления:
м
Глубина ООС по выходному току может достигать более 30 дБ без потери устойчивости работы канала усиления. При этом достигается жесткое ограничение выходного тока каналов в экстремальных режимах. Так, например, при увеличении напряжения в два раза для минимального значения импеданса нагрузки выходной ток канала превышает установленное максимальное значение не более чем на 5-10%. В случае уменьшения импеданса нагрузки менее минимального согласованного значения вплоть до нуля, что соответствует режиму короткого замыкания, выходной ток перегруженного канала возрастает не более чем на 10-20% от установленного граничного значения I.
доп
м
При выборе необходимого запаса на надежную работу ключевых элементов КУМ по допустимому току I>1,5 I каналы усиления в предлагаемом устройстве могут обеспечивать устойчивую работу при экстремальных режимах во время цикла излучения, связанных с кратковременным уменьшением импеданса нагрузки либо с действием пик-фактора усиливаемого сигнала.
Таким образом, обеспечивается достижение технического эффекта от внедрения изобретения в многоканальных передающих трактах, возбуждающих фазированные антенные решетки широкополосными сигналами гидролокации и звукоподводной связи.
м
В условиях возникновения неисправности отдельных каналов экстремальные режимы носят длительный характер, что требует отключения неисправных каналов на время цикла излучения. Механизм отработки защиты канала в предлагаемом устройстве достигается введением новых блоков и связей, функционирование которых поясняется временными диаграммами на фиг. 6. На время возникновения перегрузки для области выходного тока i-го канала I>I и, соответственно, для значения сигналов  ток сигнала обратной связи замыкается через пороговые устройства VD1, VD2 и диоды оптопар VT1, VT2 порогового аттенюатора 9.i. на входные сопротивления резисторов R3, R5 сумматора 8.i.
кл
кл
В результате оптопары VT1, VT2 открываются и формируют через открытый коллектор на вторых выходах порогового аттенюатора напряжение u низкого уровня, приведенное на фиг. 6. При длительном характере перегрузки сигнал u имеет вид повторяющихся импульсов низкого потенциала, которые через резистор R6 разряжают конденсатор CI i-го канала временного дискриминатора, исходно заряженного через резистор R7 до высокого потенциала b сервисного источника питания.
Сопротивление зарядного резистора R7 выбирается значительно (более чем в 10 раз) больше сопротивления разрядного резистора R6.
кл
c
в
При этом импульс низкого уровня сигнала u с постоянной времени  уменьшают напряжение на конденсаторе С1. Для значения напряжения u (приведен на фиг. 6), равного нижнему порогу срабатывания триггера Шмидта DD1, на выходе i-го канала временного дискриминатора формируется напряжение u низкого уровня, которое устанавливает SR триггер i-го канала схемы запрета в состояние защиты. Соответственно блокируется прохождение сигналов через блок разрешения i-го канала схемы защиты, находящегося в аварийном состоянии на время цикла излучения. С последующим циклом излучения триггер устанавливается в исходное состояние и при сохранении аварийной ситуации процесс срабатывания защиты повторяется. При устранении аварийной ситуации номинальный режим работы восстанавливается.
В результате заявляемое устройство обеспечивает двухступенчатую защиту от режимов токовой перегрузки.
Во-первых - динамическое ограничение выходного тока на максимально допустимом уровне, что обеспечивает устойчивую работу в условиях значительного пик-фактора сигнала и при кратковременном уменьшении нагрузки.
Во-вторых - отключение неисправного канала на весь цикл излучения в случае длительного режима динамического ограничения тока в условиях короткого замыкания, критического уменьшения импеданса нагрузки, а также при сбое формирования частоты и амплитуды усиливаемых сигналов.
Реализуемость двухступенчатого механизма защиты заявляемого устройства подтверждена приведенным примером выполнения вновь введенных блоков (фиг. 5).
Применение вновь введенных блоков и связей обеспечивает в заявляемом устройстве режим динамического ограничения выходного тока без перерыва цикла излучения, что позволяет реализовать устойчивую работу многоканальных ГАПТ режимов звукоподводной связи. При этом номинальный режим работы может быть обеспечен исходя из режима максимальной мощности, что позволяет более чем в два раза повысить энергоэффективность каналов многоканального усилителя класса D по сравнению с известными устройствами усиления и устройством-прототипом. Выделенное обстоятельство обеспечивает существенное преимущество многоканального усилителя класса D в широкополосных ГАПТ при обеспечении надежности работы, в том числе в условиях наличия неисправных каналов. Аварийное отключение в заявляемом устройстве обеспечивается только в случае выявления длительного режима динамического ограничения тока, чем достигается достоверность диагностики режимов, требующих устранения выявленной неисправности.
Совокупность преимуществ заявляемого устройства выгодно отличает его от известных устройств и позволяет внедрить предлагаемое техническое решение в передающие тракты гидролокации и звукоподводной связи. В настоящее время разработан опытный образец многоканального усилителя класса D, созданный на основе заявляемого устройства, внедренный в составе многоканального ГАПТ. Результаты испытаний подтвердили представленные преимущества. Опытный образец усилителя при максимальной допустимой мощности канала 6 кВ·А, обеспечивает номинальный режим работы не менее 5 кВ·А при КПД 95% в условиях пик-фактора сигнала 6-8 дБ при кратковременном уменьшении нагрузки на 50% без срывов цикла излучения ГАПТ.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили преимущества заявляемого технического решения, что подтверждает обоснованность его внедрения в перспективных многоканальных трактах звукоподводной связи.
Источники информации
1. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980. с. 207.
2. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М: Энергия, 1980. с. 232.
3. Патент РФ №2188498, МПК H03F 3/217. Двухканальный усилитесь класса D. 2002 г.
4. Авторское свидетельство СССР №1531186, МКИ H03K 3/02. Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки. 1989 г.
5. Патент РФ №2195687, МПК G01S 7/524. Гидроакустический передающий тракт. 2002 г.