автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка цифрового усилителя мощности ОМ сигналов с компенсацией ошибок квантования

^ - МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ У I,¡-Московский ордена Трудового Красного Знамени технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Варламов Олег Витальевич

621.376.24

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА Ш0РОВОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ОМ СИГНАЛОВ С ЮШЕНСАЩЕЙ ОШИБОК КВАНТОВАНИЯ

Специальность 05.12.1? - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

.А в т_.о реферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени техническом университете связи и информатики на кафедре радиопередающих устройств.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник В.Г.ЛАВРУШЕНКОВ

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор В.Ф.ДМИТРИКОВ

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.В.ОБРОВЕЦ

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

Защита диссертации состоится июня 1993 г.

в У$Г ч на заседании специализированного совета К Н8.06.03 по присукденшэ ученой степени кандидата технических наук Московского ордена Трудового Красного Знамени технического университета связи и информатики.

Адрес: 105855, ГШ, Москва, Авиамоторная ул., д.8-а.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ » ^^уЬа^-У 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

С

О.В.МАТВЕЕВА'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Задача повышения энергетических и качественных характеристик радиочастотных одяо-полосннх усилителей мощности диапазонов СЧ и ВЧ в последнее время все в большей степени привлекает взимание разработчиков радиоаппаратуры. Особенно актуальной эта задача является для радиопередатчиков, работающих в условиях ограниченных энергоресурсов -носимых, мобильных, аварийных, бортовых и т.д.

Успехи в создании эффективных транзисторных ключевых усилителей модности вызвали особый интерес к цифровым методам усиления ОМ ойталов, которые в настоящее время считаются наиболее перспективными для подобного класса устройств.

Под цифровыми усилителями мощности (ЦУМ) здесь и в дальнейшем понимаются устройства, имеющие аналоговые вход и выход, но оперирующие при усилении не с абсолютной величиной значения сигнала, а с соответствующим ей цифровым кодом, т.е. устройства, имеющие в своем составе цифровой тракт усиления. В них усиливаемый ВЧ сигнал с переменной амплитудой либо непосредственно, либо после прохождения блока предварительной обработки (например, после разделения на ВЧ и НЧ составляющие) подвергается в АЦП дискретизации, квантованию и кодированию. Полученный при этом цифровой код после соответствующего преобразования уровней в блоке ПУ управляет работой мощного цифро-аналогового преобразователя (ЦДЛ), который и формирует выходной сигнал непосредственно на заданном уровне мощности. Выделение усиленного сигнала осуществляется в блоке выходных фильтров , включаемых на выходе усилителя.

Из рассмотренного принципа действия цифровых усилителей следует, что весь процесс усиления сводится, по существу, к преобразованию постоянных уровней цифрового кода сигнала, что и определяет возможность улучшения ряда показателей усилителей радиочастотных колебаний. Их энергетическая эффективность может приближаться к эффективности разрядных ключевых генераторов (РКГ) блока ЦАП, электронный КПД которых достигает величины 82...95% . Это позволяет сократить габариты радиаторов, что, в свою очередь, наряду с использованием ИС, дает возможность улучшить массогабарит-ные показатели устройства в целом, повысить его надежность и т.п.

Вместе с тем, следует отметить, что наряду с указанными достоинствами, цифровым усилителям присущи и определенные недостатки, из которых основным является обогащение спектра выходного

сигнала продуктами цифровой обработки или их производными вследствие конечной величины разрешающей способности цифрового тракта. В отличие от традиционных способов построения усилительного тракта, спектр излучаемого цифровым усилителем сигнала медленно убывает в широкой полосе частот, что значительно ограничивает области использования рассматриваемых усилителей. Таким образом, проблема улучшения качественных показателей цифровых усилителей мощности является весьма актуальной, что и определяет цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является развитие теории работа и методов построения цифровых усилителей мощности однополосных сигналов и создание макетов усилителей, имеющих малый уровень шумов квантования при высоких энергетических и улучшенных массогабаритных показателях. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Проведение сравнительного анализа возможных вариантов построения цифровых усилителей мощности и способов уменьшения искажений, связанных с цифровым преобразованием ом сигнала.

2. Разработка нелинейной математической модели цифрового усилителя мощности, впервые учитывающей инерционность разрядных ключевых генераторов блока ЦАП. Исследование результатов совместного воздействия на состав спектра выходного сигнала выявленных автором и известных ранее факторов, позволяющее более строго сформулировть требования к структуре устройства и наложить ограничения на параметра] его отдельных узлов.

3.. Разработка инерционной математической модели коллекторных цепей ключевых генераторов, учитыващей особенности их работы в блоке ЦАП. Исследование переходных характеристик известных типов ключевых генераторов, позволяющее определить области их применения в различных цифровых усилителях мощности.

4. Математическое моделирование влияния параметров канала компенсации ошибки квантования на выходной спектр и энергетическую эффективность усилителя мощности, позволяющее сформулировать требования к увлаы канала компенсация.

. • Б. Разработка рекомендаций но способам реализации мощного широкополосного усилителя постоянного тока (. УНТ ) для канала компенсация» имеющего■высокие энергетические и улучшенные массога-баритнзе показатели, проведение оптимизации его параметров с учетом характеристик сигнала ошибки квантования в усилителе мощности с цифровым преобразованием огабавдей ( УЩПО ).'

6. Создание макета УМЦПО с каналом компенсации ошибок квантования, удовлетворящего требованиям к бортовым усилителям, и его испытания.

Методы исследования. Для решения перечисленных задач используется квазистагический метод анализа нелинейных четырехполюсников, метод спектрального анализа, метода численного моделирования и-оптимизации на ЭВМ и некоторые другие методы теории линейных и нелинейных электрических цепей. Все основные результаты анализа подтверздены экспериментальными исследованиями разработанного макета усилителя и его узлов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны и защищены авторским свидетельствами новые варианты построения цифровых усилителей мощности ОМ сигналов и способы уменьшения искажений квантования, предложена их классификация и проведан сравнительный анализ, позволивший определелить структуры, наиболее перспективные для использования в диапазонах СЧ и ВЧ.

2. Разработана математическая модель усилителя мощности с цифровым преобразованием огибагацей ОМ сигнала, позволявшая анализировать состав спектра сигнала на выхода усилителя с учетом инерционности разрядных ключевых генераторов блока ЦАП. С ее помощь»:

- определены предельно достижимые качественные характеристики усилителя с учетом инерционности РКГ блока ЦАП;

-определены требования к переходным характеристикам разрядных ключевых генераторов при различной разрешающей способности цифрового тракта.

3. Разработана инерционная математическая модель цепей питания ключевых генераторов, учитывающая особенности их работы в блоке ЦАП, на основании которой исследовано влияние элементов коллекторной цепи на переходные характеристики генераторов, обоснован выбор генераторов с переключением напряжения для использования в блоке ЦАП в качестве разрядных генераторов и определены критерии выбора элементов генераторов с переключением напряжения, обеспечивающие требуемую инерционность.

4. Исследовано влияние параметров канала компенсации ошибок квантования на выходной спектр и энергетическую эффективность усилителя мощности, в регультате чего определены предельно тоста-жимыв качественные характеристики усилителя в зависимости от полосы пропускания канала компенсации;

- выявлена зависимость результирующего КЦЦ усилителя от его разрешающей способности и КЦЦ канала компенсации ошибки;

-обоснована целесообразность использования усилителя с квантованием входного сигнала (УКВС) в качестве широкополосного усилителя постоянного тока канала компенсации ошибки квантования и проведена оптимизация его параметров в соответствии с характеристиками сигнала ошибки.

Основные научные положения, выносимые на защиту, заключаются в следуюцем:

1. Компенсация ошибок квантования наиболее эффективна в малоразрядных усилителях мощности с цифровым преобразованием огибающей посредством линеаризации проходной характеристики и обратной связи по огибающей.

2. Инерционность разрядных ключевых генераторов в области больших времен приводит к перераспределению уровней комбинационных составляющих, причем уровни искажений низких порядков возрастают, а высоких - уменьшаются.

3. Для обеспечения требуемых переходных характеристик блока ЦДЛ в качестве разрядных генераторов целесообразно использовать ключевые генераторы по схемам с переключением напряжения.

4. Для обеспечения малого уровня потерь в системе сложения мощностей при суммировании сигналов цифрового тракта и канала компенсации следует использовать непосредственное сложение мощностей ключевых генераторов по схемам с переключением напряжения.

5. Канал компенсации ошибок квантования уменьшает уровень комбинационных составляющих на выходе усилителя в полосе частот, примерно равной полосе пропускания канала компенсации, причем с приближением к границе полосы пропускания эффективность подавления искажений уменьшается.

6. Для обеспечения высоких энергетических показателей усилителя модный широкополосный УПТ канала компенсации целесообразно выполнять в виде усилителя с квантованием входного сигнала с оьтидазированшшк для сигнала ошибки параметрам.

Практическая ценно-сть диссертационной работа заключается в следующем:

1. Проведено обоснование выбора метода построения цифрового усилителя мощности с .компенсацией ошибок квантования, наиболее перспективного для практической реализации с учетом существующей'■ элементной базы.

2.Разработана программа расчета уровней комбинационных иска-

жений в цифровом усилителе мощности, учитывающая инерционные параметры разрядных ключевых генераторов и позволяющая накладывать ограничения на характеристики отдельных узлов и структуру усилителя в целом для обеспечения заданного уровня комбинационных искажений и внеполосных излучений.

3. Разработана инерционная модель коллекторной цепи ключевых генераторов, позволяющая определять их переходные характеристики в условиях работы в составе блока ЦАП цифрового усилителя мощности.

4. Определены требования к параметрам канала компенсации ошибок квантования в зависимости от заданных качественных и энергетических характеристик усилителя мощности.

5. Разработаны рекомедации по способам построения мощного широкополосного усилителя постоянного тока для канала компенсации с высокими энергетическими и массогабаритными показателями.

6.Впервые создан и испытан макет цифрового усилителя мощности ОМ сигнала с компенсацией ошибки квантования с высокими качественными и энергетическими показателями.

Реализация результатов . Основные ре-зультаты^иссле^ования, вывода и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в отчетах по НИР в 1986 -1991 _гг. и использованы на промышленных предприятиях, что подтверждается приводимым актом о внедрении.

Апробация работы . Основные положения дассерта-ционой работы докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МЭИС в 1987, 1988 _гг., МИС в 1989, 1990, 1991, 1992 гг.,на научно-технических конференциях "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи" в Ростове в 1990 г., "Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники" в Ужгороде в 1991 г., на семинарах "Транзисторные усилители мощности" на ВДНХ в 1987 г. и "Автоколебательные системы и усилители в радиопередающих устройствах" в Симферополе в 1988 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.

Структурные схемы разработанных усилителей мощности, а также отдельные схемотехнические решения защищены пятью авторскими' свидетельствами.

Структура и об* ем работ ы . Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 131

странице машнописного текста, содержит 62 рисунка, 7 таблиц и два приложения. В библиографии включено 66 наименований отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, указывается цель и задачи исследования, приводятся основные положения, выносимые на защиту, объем и структура работы с перечислением рассматриваемых вопросов по главам. Приводятся сведения об апробации и степени опубликования основных положений диссертационной работы, а также о внедрении полученных результатов.

Впервой главе производится классификация различных вариантов построения цифровых усилителей мощности по способу обработки входного сигнала, характеру цифрового преобразования и способу восстановления усиленного сигнала, а также классификация возможных способов их совершенствования с целью уменьшения ошибок квантования. Проводится сравнительный.анализ рассмотренных вариантов, подробно обсуадаются их достоинства и недостатки с точки зрения обеспечения высоких энергетических показателей и возможности использования методов компенсации ошибок цифрового преобразования.

Подробно рассмотрен усилитель мощности с непосредственной цифровой обработкой ОМ сигнала и проведено его сравнение с УВДЮ. Показана возможность использования такого способа обработки СМ сигнала в декаметравом диапазоне частот на современной элементной базе. Исследование качественных характеристик усилителя с непосредственной цифровой обработкой ОМ сигнала показало, что продукты цифрового преобразования при двухтоновом входном сигнале в выходном спектре представлены также в виде комбинационных составляющих. Шесте с тем, выходной сигнал такого усилителя обладает значительно более широким (по сравнению с УМЦПО) спектром частот, обусловленным цифровой обработкой, а уровень комбинационных составляющих на 10.. .20 дБ вше, чем в 2ЩЦП0 с равной разрешающей способностью.

Анализ рассмотренных вариантов построения ЦУМ показал, что УМЦПО является. наиболее перспективной реализацией ЦУМ с точки зрения дальнейшего совершенствования качественных характеристик. .

. Проведенное сравнение возможных способов улучшения характеристик УМЦПО показало, что совершенствование структуры собственно цифрового усилителя не позволяет существенно улучшить его качественные показатели, а использование традиционных ОС или. методов

нелинейной коррекции в чисто цифровом усилителе мощности нецелесообразно ввиду специфической нелинейности его проходной характеристики. Наиболее перспективными направлениями уменьшения нелинейности УВД10 являются активная фильтрация выходного сигнала, а также линеаризация проходной характеристики УВДЮ с одновременным введением обратной связи по огибающей. Структурная схема, поясняющая один из видов последнего метода, наиболее приемлемого в плане практической реализации, приведена на рис. I. Здесь выделенная амплитудным детектором АДГ огибающая исходного ОМ сигнала квантуется и кодируется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Полученный при этом цифровой код управляет высокочастотным коммутатором, на который подается также предельно ограниченный исходный сигнал, усиленный предварительным усилителем (БУ). В зависимости от цифрового кода разрядные ключевые генераторы (РКГ) мощного цифроаналогового преобразователя возбуждаются в различных комбинациях. В результате сложения их выходных мощностей в общей нагрузке формируется усиленный однополосный сигнал со ступенчатой огибающей, являющейся квантованным приближением исходной. Выделенная амплитудным детектором АД2 огибающая выходного сигнала сравнивается с исходной, и усиленный в усилителе постоянного тока (УПТ) сигнал ошибки модулирует напряжение питания постоянное возбужденного ключевого генератора младшего разряда, осуществляя одновременно линеаризацию проходной характеристики усилителя и организацию обратной связи по огибающей.

На основании выполненного анализа формулируются задачи дальнейших исследований.

Во второй главе производится анализ комбинационных' искажений в усилителе мощности с цифровым преобразованием огибающей с учетом инерционности разрядных ключевых генераторов и исследуются переходные характеристики генераторов различных типов.

ЦлдГ]

К

АЦП

прг

ТзКГ2~

таг

МРКГи

Рис.1.

ШГ

ССМ

Ш

ФНЧ

Предварительно рассматриваются факторы, влияющие на результирующий уровень комбинационных искажений в УВД10 и обусловленные инерционностью РКГ. К ним относятся искажения формы квантованной огибающей, ее асимметрия и задержка.

О учетом этих факторов разрабатывается нелинейная математическая модель усилителя. При этом показывается, что блоки устройства допускают использование квазистатического метода анализа. Искажения формы квантованной огибающей, обусловленные инерционностью РКГ, описываются введением между выходом четырехполюсника, описывающего аппаратурную погрешность блока ЦАП, и входом идеального перемножителя эквивалентного ФНЧ, переходная характеристика которого соответствует совокупным инерционным параметрам блока ЦАП.

Математическое описание модели усилителя проводится на стандартном двухтоновоы равно амплитудном сигнале, характеристики эквивалентного ФНЧ описываются экспоненциальными функциями, различными для фронта и спада радиоимпульса. В зависимости от разрешающей способности цифрового тракта находятся коэффициенты разложения Фурье а01, аК1, ЪЙ1 и- определяется спектр квантованной огибающей на входе идеального перемножителя как

2п-1 ао1 гп-1 Ю /~г ^ = I ~т 4 £ 'Е Ач + Ьм. + arctg

ejgjCt.n) = - + 2. 'L. ^ + bv1 sln(i5fll"t + ^^-

1=1 2 1=1 k=1 /нелогичным образом определяется спектр 4M составляющей в

высокочастотном тракте усилителя и, далее, с учетом того, что любые линейные и нелинейные преобразования сигналов в обоих трактах приводят только к изменению амплитуд и фаз их спектральных составляющих, вычисляются коэффициенты искажений по гармоникам сигналов, с помощью которых определяется, спектральный состав сигнала на выходе: œ

c^tt.n) = £ -Л- v(a) в1л(ш1 4 "V1 • . (2> .

m=1

Для расчета уровня комбинационных искажений была разработана вычислительная программа, описание которой приводится в Приложении к диссертации. Результаты расчета и их анализ показали: '

I. При равной длительности фронта и спада' импульсов,' не превыиавдей времени нахождения ЦАП в одной кодовой комбинации, наличие инерционности ЦАП не приводит к. увеличению максимального уровня комбинационных искажений по сравнению с идеальным УМЦПО. При этом происходит перераспределение уровней комбинационных искажений различных порядков: составляющие низких (3...2I) поряд-

ков возрастают на 1...5 дБ, а высоких (» 23) порядков (попадающие в область внеполосных излучений) уменьшаются на 2...10 дБ. При различной длительности фронта и спада импульсов имеет место увеличение уровня комбинационных искажений низких порядков на 5... 15 дБ в зависимости от разрешающей способности цифрового тракта.

2. При увеличении длительности переходных процессов возможно резкое увеличение уровней комбинационных искажений вследствие появления аффекта "перегрузки по крутизне" огибапцей в блоке ЦАП. При этом получены дополнительные ограничения на максимальную величину разрешающей способности в зависимости от инерционности блока ЦАП: так, при х = I мкс п $ 6, а при 1 = 8 мкс п ^ 3.

3. Задержка огибающей, обусловленная инерционностью ЦАП, практически не приводит к увеличению уровней искажений.

При исследовании переходных характеристик ключевых генераторов, работающих в составе блока ЦАП, рассматриваются факторы, влияющие на их режим работы. Показано, что инерционность в области больших времен (соизмеримых с периодом смены кодовых комбинаций) обуславливается реакцией коллекторной цепи на изменение режима работы. С учетом этого разрабатывается инерционная модель коллекторной цепи ключевых генераторов. Показано, что обобщенная эквивалентная схема коллекторной цепи ключевых генераторов имеет вид рис. 2. При этом в случае йБ » В^ она описывает генератор с пере-0 п ключением тока ( ПТ ),

при ^Б « Ид- генератор

ьбл с

|Н —г— ПИ^^ССу.йд.Гд) с переключением налря-

^ нб И Т Кения, а при ЯБ = Ин -

А

генератор с мостовой Рис.2. коллекторной цепью

( МВД ). Сопротивление Е^ на эквивалентной схеме рис. 2 -сопротивление, которое представляет собой ключевой генератор по отношению к источнику питания и которое может параметрически изменяться в зависимости от длительности этапа насыщения т;н,( приводимой в коллекторную цепь каждого из транзисторов нагрузки Я^ и сопротивления насыщения гн. Соответственно, для трех типов ключевых генераторов были получены выражения: ■

JWiRa.tg.i-g) = Нн « 4 -jj-0 - Д«Я схемы с ПН. (4)

[2ic 2х г„ 1

< — - 1> -Ç-J - М* схемы с ВД- №)

Эквивалентная схема рис. 2 описывается линейным дифференциальным уравнением второго порядка:

ВБ

®кг

\ЕБ + WCp

й% Р л 1 С dUп.

dt2 +СР dt

\

) + ис (1 + -

Л . «кг

^с = WV1 + -> -5- + сп -<RÏ- + HR +

1 МР Кг, dt2 Р dt ** ъ

) ■ (6)

Решение его для соответствующих начальных условий позволяет получить выражения, описывающие переходный процесс в ключевых генераторах при изменении сопротивления нагрузки, напряжения питания или длительности этапа насыщения, и исследовать различные схемы ключевых генераторов с точки зрения их использования в блоке ЦДЛ и определения ограничений на их инерционные свойства.

Результаты расчета и их анализ показали:

1. В отличие от результатов, известных из литературы, ключевые генераторы по схемам с ПТ и МКЦ не могут быть отнесены к генераторам напряжения в области больших времен при использовании их в ЦУМ. Существенное искажение форми выходных радиоимпульсов при изменении нагрузки, обусловленное элементами цепи питания, ограничивают возможность их непосредственного использования в многоразрядных блоках ЦДЛ на частотах ниже 0,5.. .1,5 МГц.

2. Ключевые генераторы по схемам с ПН при указанном выборе элементов цепи питания обладают свойствами генераторов напряжения в области больших времен и могут быть рекомендованы для использования в многоразрядных блоках ЦШ без частотных ограничений.

3. Для использования в качестве РКГ блока ЦШ УМЦПО рекомендуются генератор с ПН на полевых транзисторах и четырехключевой генератор на ПТ.

Таким образом, полученные во второй главе результаты позволяют сформулировать требования к структуре усилителя в целом и к характеристикам отдельных блоков, а также получить предварительные, ограничения на полосу пропускания канала компенсации ошибок квантования с учетом заданных требований на уровень искажений.

В третьей главе проводится исследование зависи-

мости спектра выходного сигнала и энергетической эффективности усилителя мощности от параметров канала компенсации ошибок квантования.В основе анализа используются методика и программа расчета выходного спектра УМЦПО, отписанные в главе 2. Показано, что искажение к-й гармоники спектра огибающей в наибольшей степени отражается на изменении т-й и примыкающих к ней комбинационных составляющих. Таким образом, канал компенсации ошибок квантования, восстанавливающий амплитуды гармоник спектра огибающей в определенной полосе частот, позволяет в основном в пропорциональной полосе частот обеспечить снижение уровня комбинационных составляющих на выходе усилителя.

Для расчета предельно достижимых качественных характеристик УЩТО с каналом компенсации ошибок квантования проводится моделирование влияния идеализированного канала компенсации (с прямоугольной АЧХ и бесконечно большим коэффициентом усиления в петле ОС) на выходной спектр устройства. Результаты расчета и их анализ показали:

1. В отличие от систем с традиционной ОС использование обратной связи по огибающей в УМЦПО обеспечивает меньшую эффективность подавления комбинационных составляющих по мере приближения к границе полосы пропускания канала обратной связи.

2. Канал компенсации уменьшает уровень комбинационных составляющих на выходе УМЦПО в полосе частот, примерно равной собственной полосе пропускания.

3. Наибольшая эффективность канала компенсации проявляется при использовании в малоразрядных цифровых трактах (п = 2...3), при этом его полоса пропускания должна быть не менее 250. .300 кГц.

4. Применение канала компенсации в малоргзрядиом УМЦПО позволяет снизить максимальные уровни комбинационных составляющих на 10 .. .20 дБ и обеспечить выполнение требований на комбинационные искажения и ннеполосшв излучения данного класса радиопередатчиков.

Проведенные в третьей главе исследования энергетических характеристик УМЦПО с каналом компенсации ошибок квантования показали, что для достижения высокого результируицего КЦД подобной система наиболее целесообразным способом суммирования■ сигналов канала компенсации и цифрового тракта является, их непосредственное "сложений в последовательной цепи без применения развязывающих устройств, что при ^пользовании в. качестве РКГ рекомендованных, во второй главе генераторов на полевых транзисторах по схемам с ПН или четырехключевой позволяет, в отличие от известных аналогичных

систем с активной (¡¡ильграцией,осуществлять суммирование источников с независимыми переменными амплитудами без дополнительных потерь.

С учетом того, что в результате перераспределения нагрузок при работе канала компенсации, отдаваемая им и остальными РКГ мощность непостоянна даже в пределах одной кодовой комбинации, определены нормированные средние суммарные мощности аналогового и цифрового каналов:

Р£УС = £ 1(1-1)2(1п 7 - 1п Р£АК=Т+1Т' (7)

1 . 1 ' ° х=г с-

где N = 2 - число уровней квантования.

Результирующий средний КЦЦ устройства определяется как:

Р,-

(8)

гЕак 1 -

= V 1 + --^ > •

где т], - КПД разрядных ключевых генераторов блока ЦАП; ^упт ~ сРе'1*Ж1й ВДД канала компенсации.

Анализ выражения (8) позволяет определить зависимость результирующего КПД устройства от разрешающей способности ЦАП и энергетической эффективности канала компенсации. Так, при 1^=0,7...0,9 и допустимом снижении общего КПД на 3% в двухразрядном усилителе КЦЦ УПТ канала компенсации должен быть не менее 0,85, а в трехразрядном - не менее 0,75.

В четвертой главе исследуются способы построения быстродействующего широкополосного усилителя постоянного тока канала компенсации ошибки квантования. После выбора наиболее перспективного метода усиления - усилителя с квантованием входного сигнала, удовлетворяющего сформулированным ранее требованиям , определяется суммарная мощность потерь во всех ступенях усилителя: и2 г 1 Г г з гЦ

рпот2(*1'"Л-1> ~ { Уп +7+ 1[И1(уГ у1+1)+ V ^Л]]

1= (9)

и производится оптимизация уровней квантования для сигнала ошибки

по критерию минимума потерь, на основании чего определяются энергетические параметры. Анализ полученных выражений показывает, что добавление в УКВС очередного уровня квантования приводит к снижению суммарной мощности потерь в среднем на 25...35%, при этом заметный выигрыш в росте КЦЦ и снижении мощности потерь вносят, в основном, первые два-три уровня квантования. Требуемое по результатам третьей главы значение среднего КПД, равное 0,75...О,85,

достигается при использовании трехуровневого квантования.

На основании анализа функциональных схем различных вариантов УКВС разрабатываются предложения по способам схемотехнической реализации и выбираются наиболее перспективные. Показано, что для получения высоких энергетических характеристик УКВС целесообразно выполнять по схеме с параллельным включением выходных каналов коммутации усилительных ячеек то входным цепям и снижать остаточное напряжение на выходных транзисторах. Разработанная принципиальная схема УКВС, ввиду отсутствия в ней реактивных элементов, может быть выполнена в виде единой мощной микросборки.

В пятой главе описывается разработанный автором усилитель мощности, построенный по методу цифрового преобразования огибающей ОМ сигнала с компенсацией ошибок квантования, при разработке которого были использованы выводы и рекомендации, полученные в предыдущих главах работы. Он имеет следующие параметры: диапазон рабочих частот 1,5...10 МГц; пиковая выходная мощность - 200...300 Вт, напряжение питания -.20...30 В, уровень комбинационных искажений - не хуже минус 32 дБ.

В усилителе использовано шестиуровневое позиционное квантование огибающей, что позволяет при некотором увеличении степени изменения приводимых нагрузок по сравнению с п = 2, обеспечить запас по уровню комбинационных искажений. Разрядные ключевые генераторы блока ЦАП построены по схеме с переключением напряжения _ на полевых транзисторах КП 909. Их суммирование осуществляется по последовательной схеме с закорачиванием невозбужденных генераторов шунтирующими ключами на р-1-п диодах. Напряжение ошибки квантования усиливается УПТ, выполненным в виде трехуровневого усилителя с квантованием входного сигнала, и модулирует напряжение питания постоянно возбужденного РКГ первой ступени, осуществляя линеаризацию проходной характеристики усилителя и организацию обратной связи по огибающей. .

Результаты испытаний отдельных узлов ж усилителя, в целом показали следующее.

Благодаря стабильности длительности этапа насыщения полевых транзисторов в условиях меняющейся нагрузка удалось добиться значительного уменьшения статической аппаратурной погрешности блока ЦАП. Так,-нелинейность статической характеристики преобразования, не превышала 0,1.,..0,15, а неравномерность ФАХ - 3...5 градусов.

Использование в составе блока ЦАП ключевых генераторов по' схеме с ПН позволило значительно уменьшить его инерционность.

Длительность переходных процессов при этом определялась, по существу, быстродействием элементов коммутации и не превышала 1...3 икс, что аодтвервдает справедливость выводов, сделанных во второй главе работы.

Результаты измерения динамических характеристик макета усилителя подтвердили справедливость проведенного в третьей главе анализа качественных и энергетических параметров усилителя с компенсацией ошибок квантования, а также выводов и рекомендаций по способу построения мощного широкополосного У1ТГ, полученных в четвертой главе: канал компенсации ошибок квантования позволяет снизить уровень комбинационных искажений на 6...II дБ, а уровень внеполосных излучений - на 20...30 дБ, при атом снижение среднего КПД усилителя не превышает 3...5%.

Основные результаты работы

1. Проведен сравнительный анализ различных вариантов построения цифровых усилителей мощности ОМ сигналов и способов уменьшения искажений, связанных с цифровой обработкой, который показал:

- для практической реализации усилителя мощности диапазонов СЧ и ВЧ в настоящее время наиболее перспективным является использование метода цифрового преобразования огибающей ОМ сигнала;

- существующие нормы на уровень комбинационных искажений и внеполосных излучений в малоразрядном цифровом усилителе могут быть обеспечены посредством линеаризации проходной характеристики усилителя и введения обратной связи по огибапцей.

2. Выполнен анализ комбинационных искажений в усилителе мощности с цифровым преобразованием огибающей с учетом инерционности разрядных ключевых генераторов, на основании которого определена допустимая инерционность генераторов, используемых в блоке ЦАП, и соответствующие им предельные возможности усилителя.

3. Разработана инерционная математическая модель коллекторной цепи ключевых генераторов. Выполненный с ее помощью анализ с учетом условий работы блока ЦАП позволил:

- обосновать выбор генераторов с переключением напряжения для использования в блоке ЦАП;

- определить критерии выбора элементов генераторов с ПН, обеспечивающие требуемую инерционность.

4. Проведено математическое моделирование влияния параметров канала компенсации ошибок квантования на выходной спектр и энерге-

тические характеристики УМЦПО.В результате выявлено:

- канал компенсации ошибок квантования уменьшает комбинационные искажения на выходе усилителя в полосе частот, равной собственной полосе пропускания, причем с приближением к границе полосы пропускания эффективность подавления уменьшается;

- наибольшая эффективность канала компенсации достигается при использовании его в малоразрядных цифровых трактах (п=2...3), при этом максимальный уровень комбинационных составляющих снижается на 15...20 дБ и обеспечивается выполнение требований на комбинационные искажения и внеполосные излучения;

- для обеспечения высокой энергетической эффективности УМЦПО с каналом компенсации средний КЦД последнего должен быть не менее 0.85 в двухразрядном цифровом тракте и не менее 0,75 в трехразрядном.

5. Проведен сравнительный анализ и исследование возможных способов построения мощного широкополосного усилителя постоянного тока для канала компенсации, на основании которого:

- обосновано использование усилителя с квантованием входного сигнала;

- рекомендовано использование трехуровневого квантования и определены оптимальные пороги срабатывания для усиления, сигнала ошибки УМЦПО.

6. Предложены и защищены авторскими свидетельствами новые варианты построения цифровых усилителей мощности и их узлов.

. 7. Впервые был создан и испытан макет усилителя мощности диапазона СЧ-ВЧ с цифровым преобразованием огибающей однополосного сигнала с компенсацией ошибок квантования, результаты испытаний которого подтвердили правильность выводов и рекомендаций, полученных в диссертационной работе.

Результаты теоретического и экспериментального исследования УМЦПО с компенсацией ошибок квантования подтвердили возможность получения на основе предложенного метода повышенных качественных характеристик при сохранении высоких энергетических и массогаба-ритных показателей радиопередающей аппаратуры. Наибольший эффект при этом может быть достигнут в условиях ограниченности энергоресурсов и повышенных требований к весу и габаритам радаосредств.

Научные и практические результата настоящей диссертационной работы использованы при создании новой радиопередающей • техники, что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ

1. О.В.Варламов, И.А.Гончаров, В.Г.Лаврушенков. Мощный ВЧ цифро-аналоговый преобразователь для усилителя мощности ОМ сигналов. - Электросвязь, N 8, 1989, - с. 54-57.

2. О.В.Варламов и др./ Сложение мощностей двухтактных ключевых генераторов ПН с резистивной нагрузкой. - Изв. высш.учебн. заведений. Радиоэлектроника. Том 32, N 7, 1989, - с. 31-36.

3. О.В.Варламов, В.Н.Громорушкин. Повышение КПД ключевых усилителей с резистивной нагрузкой. - Межреспубликанская студенческая научно-техническая конференция "Электрические и радиотехнические цепи и системы".Тезисы докладов. Пермь,1986, - с. 164-165.

4. О.В.Варламов, И.А.Гончаров, А.Ю.Царев. Линейный канал в усилителе мощности с цифровым преобразованием огибающей. - Сборник тезисов докладов научно-технической конференции молодых специалистов "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи". Ростов, 1990, - с. 63.

5. О.В.Варламов, А.Ю.Царев, И.А.Гончаров. Экспериментальное исследование усилителя мощности с цифровым преобразованием огибающей на полевых транзисторах. - Межрегиональная научно-техническая конференция "Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники". Тезисы докладов. Ужгород, .1991, - с. 13.

6. О.В.Варламов, И.А.Гончаров, В.Г.Лаврушенков. Методика анализа параметров усилителя мощности с цифровым преобразованием оги-бавдей при случайных входных сигналах. - Межрегиональная нучно-техническая конференция "Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники". Тезисы докладов. Ужгород, 1991, - с. 12.

7. Варламов О.В., Гончаров И.А. Применение р-1-п диодов в цифровых усилителях мощности./ Деп. в ЦНТИ "Информсвязь", ВИНИТИ, N 3, 1990 г.

8. О.В.Вармалов и др. А/с N 1573535. Транзисторный ключ, 1988, опубл. в Б.и. N 23, 1990.

9. О.В.Варламов и др. А/с СССР N 1532995. Усилитель мощности,

1987, опубл. В Б.и. N 48, 1989

10. Вармалов О.В. и др. А/с СССР N 1667221. Усилитель мощности, 198Э,опубл. В Б.И. И 28, 1991.

11. О.В.Варламов и др. Усилитель мощности. Реш. о выдаче а/с по заявке N 4873739, НОЗР 3/20 от 28.06.91.