ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ВЫСОКИМ КПД
HIGH-EFFICIENCY HIGH-POWER ANALOGUE SIGNAL PRECISION AMPLIFIER

Область техники.
Данный усилитель аналоговых сигналов относится к области радиотехники для использования в качестве прецизионного усилителя низких частот большой мощности, созданного на основе полупроводниковых приборов.
Уровень техники.
Известен усилитель мощности, работающий в классе D по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Принцип его работы состоит в том, что усиливаемый аналоговый сигнал преобразуется в ШИМ-последовательность, далее импульсы ШИМ-последовательности усиливают, после чего ШИМ-последовательность демодулируют, выделяя, таким образом, усиленный аналоговый сигнал. Такой усилитель обеспечивает высокие показатели КПД, однако не обеспечивает достаточной линейности и прецизионности, особенно в области малых сигналов.
Помимо этого известен аналоговый усилитель мощности на полупроводниковых элементах, работающий в линейном режиме и обладающий низким показателем коэффициента нелинейных искажений в области малых сигналов, однако имеющий низкие показатели КПД.
Раскрытие изобретения.
В качестве прототипа был выбран гибридный усилитель цифровых сигналов (патент RU 2281607 С2), основанный на принципе разбиения динамического диапазона усиливаемого сигнала на две области - область малых значений и область больших значений, и далее раздельное усиление полученных в результате такой сепарации сигналов. Повышение качества усиленного сигнала обеспечивается за счет усиления слабого сигнала маломощным аналоговым прецизионным усилителем, а сильного - экономичным мощным усилителем, работающим в режиме класса D.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, обусловлен тем, что входной аналоговый сигнал не разделяется на различные каналы усиления, а одновременно заводится на прецизионный линейный усилитель (поз.2 на фиг.) и мощный двухтактный усилитель класса D (поз.3 на фиг.). После фильтра нижних частот выходной сигнал импульсного усилителя складывается с выходным сигналом аналогового усилителя, при этом оба канала усиления охвачены общей обратной связью. Сложение происходит таким образом, что в результирующем сигнале основную долю составляет сигнал, усиленный усилителем класса D, а небольшие сигналы ошибки, обусловленные особенностями работы импульсного усилителя, отрабатываются прецизионным аналоговым усилителем, в результате чего достигается прецизионность и малые значения коэффициента нелинейных искажений при высоких значениях КПД прибора.
За счет изменения коэффициента усиления усилителя обратной связи достигается возможность менять коэффициент усиления всего усилителя в широких пределах в отличие от прототипа. Наличие общей обратной связи позволяет получить стабилизированный ток через нагрузку усилителя независимо от ее меняющихся параметров, что расширяет область его применения.
Поскольку система работает с аналоговыми сигналами, она лишена в отличие от прототипа погрешностей дискретизации и квантования и является действительно прецизионной. Система может работать с сигналами низкой частоты (от 0 Гц до 20 кГц), что обусловлено собственной частотой импульсного источника, работающего по принципу ШИМ.
Двухтактный усилитель предложенной компоновки обладает большей надежностью по сравнению с прототипом: при выходе из строя аналогового усилителя система остается полностью работоспособной, лишь появляются небольшие искажения, присущие усилителям класса D в области малых сигналов. В подобной ситуации прототип либо не будет работать совсем, если Uвx1(t) меньше U1(t), либо появятся существенные искажения, если Uвx1(t) больше U1(t), т.к. за усиление малых сигналов отвечает только аналоговый усилитель.
Прецизионный усилитель аналоговых сигналов отвечает требованию поставленной задачи объединения положительных качеств приборов подобного класса с целью получения высоких показателей КПД при сохранении высоких показателей линейности и прецизионности, а также увеличиваются показатели стабильности работы прибора.
Описание блок-схемы.
Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким КПД состоит из буферного усилителя (поз.1), необходимого для согласования входного сигнала, сигнал от которого поступает на прецизионный линейный усилитель (поз.2) и мощный двухтактный усилитель класса D (поз.3). Далее сигнал от блоков усиления поступает на сумматор (поз.4) и на нагрузку. Общий сигнал обратной связи с последовательно подключенного к нагрузке опорного сопротивления через ПИД-регулятор (поз.5) подается на прецизионный линейный усилитель и мощный двухтактный усилитель класса D.