автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка высокоэффективных усилителей звуковой частоты

# #

ТАШКЕНТСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ

на правах рухописи

КОРСУНЦЕВ ПАВЕЛ ПАВЛОВИЧ"

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ.

Специальность 05.12.17 Радиотехнические и телевизионные системы и устройства.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ташкент 1997 г.

F'a6ota выполнена в Ташкентском электротехническом институте связи (ТЭИС)

Научный руководитель: академик АН РУз, доктор

физико-математических наук, профессор Раджабов Тельман Дадаёвич.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Васильева Маргарита Георгиевна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сагдуллаев Юрий Сагдуллаевич. кандидат технических наук, доцент Назаров Абдулазиз Муминович.

Ведущая организация: НПО "Академприбор" АН РУз.

Защита состоится " 1997 г. в /0

часов в актовом зале

ТЭИС на заседании объединенного специализированного совета К 001.25.01 при Ташкентском электротехническом институте связи.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу:

173084 г Ташкент, ул. Амира Тимура 108. ТВИС.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ташкенткого электротехнического института связи.

Автореферат разослан " " 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

д.т.н. профессор в к- Соколов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последнее время в связи с довольно высоким количеством слабослышащих людей, вопросы конструирования миниатюрных высокоэкономичных усилителей для слуховых аппаратов становятся все более актуальной задачей.

Анализ существующих усилителей слуховых, аппаратов по литературным источникам стран СНГ и дальнего зарубежья показал, что выпускаемые слуховые аппараты в странах СНГ, в частности К-11С производства России, являются технически к морально устаревшими и не отвечают требованиям времени в первую очередь по показателям энергоэффективности.

Поэтому в последнее время в ведущих западных странах и СНГ наметился рост исследований по применению современных ключевых методов усиления в слухопротезировании.

Интенсивное развитие цифровой техники, обусловленное, ьоаможн.нггями интегральной технологи», определило широкое применение цифровых сигналов и приборов в области электроники, которые ранее были традиционно аналоговыми. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму позволяет получил» множество новых качеств и путей дальнейшей обработки сигналов.

Проведенное в данной работе исследование возможностей использования цифровых методов усиления для слуховых аппаратов позволило существенно повысить их коэффициент полезного действия и продлить срок службы энергоносителей, что является очень актуальной задачей слухопротезирования. Кроме того, преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму позволяет обрабатывать цифровой сигнал по любому требуемому алгоритму и реалияовывать на цифровом уровне системы шумопонижения, компандирования, регулировки АЧХ и т.д., что открывает огромные возможности для создания адаптивных малогабаритных, высококачественных и экономичных слуховых аппаратов.

коэффгктивного ключевого усилителя на основе разработанной перспективной час-тотно-широтно-импульсной модуляции, ориентированного на применение в области

Основной целью работы является исследование и создание высо-

слухопротезирования, р также разработка высокоэффективных сопутствующих узлов для создания миниатюрного, программируемого, высокоэффективного слухового аппарата.

Для решения поставленной цели были решены следующие задачи: разработана методика исследований характеристик и параметров усилительных элементов при нижепороговых напряжениях питания для подбора элементной базы ключевого усилителя. Для этих целей создана экспериментальная установка.

сделан анализ процессов, сопровождающих широтно-импульсную и дельта модуляцию в ключевых усилителях, разработана методика формирования частотно-широтно-импульсной модуляции.

исследовано влияние импеданса нагрузки и выходного импеданса усилителя на его энергетические и качественные параметры и предложены оптимальные варианты.

исследованы и разработаны схемы ключевого усилителя с использованием час-тотно-шкротно-импульсной модуляции, предложен оптимальный вариант усилителя по энергетическим параметрам.

исследована и разработана схема экономичного преобразователя напряжения питания с 1,5В до 3,0В, для обеспечения питания ключевого усилителя от одного элемента питании, предложен оптимальный схемотехнический вариант.

исследована и разработана схема программируемого микроминиатюрного ключевого усилителя с параметрами, управляемыми программно на базе микропроцессорного комплекта.

исследована и разработана схема отключения ключевого усилителя в паузах, что позволяет свести ток, потребляемый усилителем в паузах к минимуму и практически исключить шум в паузах.

исследованы и разработаны схемы различных типов высокоэкономичных микрофонных усилителей, ориентированных на применение с разработанным ключевым у сил тел ем в составе слухового аппарата. Предложен микрофонный усилитель с последовательным включением с микрофоном с использованием ИМС БУС-1.

сделан анализ энергетической эффективности ключевых усилителей в зависимости от вида используемой модуляции, частоты дискретизации и типов

используемых усилительных приборов. Даны практические рекомендации по выбору частоты, способа модуляции и типов транзисторов. ;;

показано, что в разработанном модуляторе, чувствительность модулятора имеет обратную зависимость от напряжения питания, что позволяет реализовать компенсацию выходной мощности при снижении напряжения питания вследствии разряда элементов питания.

исследована возможность включения элементов ИМС КМОП структуры параллельно, что позволяет увеличить их нагрузочную способность и создать микроминиатюрный ключевой усилитель.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические и экспериментальные методы исследования на базе разработанных методов с последующей обработкой и анализом полученных результатов.

Аналитические методы базировались на современной теории сигналов, спектральном анализе и математической статистики, методах гармонического анализа, теории и практики программирования научных задач.

Научная новизна. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований впервые предложено использовать в ключевых усилителях разработанную частотно-широтно-импульсную модуляцию, что дает возможность построить высокоэффективные усилители звуковой частоты для слуховых аппаратов. Предложен преобразователь напряжения для питания ключевого усилителя. Предложен новый способ шумопонижения в паузах ключевого усилителя.

Экспериментально и теоретически доказано, что КПД разработанного усилителя составляет 85%, что намного выше КПД аналоговых усилителей. В то же время его характеристики отвечают международным требованиям для слуховых аппаратов. .

На защиту выносятся следующие положения:

1. Исследования элементной базы и узлов для построения экономичных ключевых усилителей. Анализ полученных результатов и практические рекомендации. Возможность использования транзисторов типа КТ для дискретного исполнения ключерого усилителя и использование КМОП структуры для интегрального выполнения усилителя.

2. Повышение экономичности ключевого усилителя достигается использованием:

-частотно-широтно-импульсную модуляцию;

- определенную частоту дискретизации;

- активные элементы КМОП-структуры.

3. Формулы для КПД ключевых усилителей для разработанного режима работы, частоты дискретизации.

4. Повышение энергоэффективности слухового аппарата достигается за счет отключения усилителя во время пауз, использование преобразователей напряжения в слуховом аппарате. Схемотехнические решения этих мероприятий.

5. Схема адаптивного программируемого ключевого усилителя на базе микропроцессорной техники и разработанного ключевого усилителя с частотно-широтно-импульсной модуляцией.

Практическая ценность. Проведенные исследования позволяют создать слуховые аппараты, использующие современные методы модуляции, которые являются высокоэффективными конкурентоспособными приборами с КПД до 85 - 90 %, что в два-три раза выше выпускаемых в странах СНГ, что позволяет продлить срок службы элементов питания. . ■

Разработанный преобразователь напряжения позволяет решить проблему питания предлагаемых усилителей'от стандартного элемента с напряжением питания 1,5В. ' ' '

Внедрение результатов.

1. Схемотехнические решения предлагаемого ключевого усилителя использованы в НИИ медицинской техники и приборов г.Моск^а для построения экономичного слухового аппарата, материалы изложены в х/д темах N138 с 1990 по 1992 гг.

2. Основные теоретические и схемотехнические исследования предложены в разделе НИР темы 13.3Б с Госкомитетом по науке и технике РУз. Разработка оптимальных вариантов усилителей для цифровых систем передачи (1994,1995 гг.).

3. Материалы ьо исследованию ключевых усилителей различной модификации нашли широкое применение в учебном процессе, в курсе "аналоговая схемотехника" и в дипломном проектировании кафедры УРС ТЭИС.

Были проработаны вопросы о заключении договора о выпуске слуховых аппаратов с НПО "Фотон". Л I.

Апробгшия работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на:

- научно-технической конференции "Проблемы развития и эксплуатации междугородной и международной телефонной связи в республике Узбекистан" (Ташкент, 1993 г.);

- Научно-технической конференции "Республика;:лиг .-дока тармоклари ва тизимларини ракамкаштириш" (Тошкент, 1994 г.)

- научно-технической конференции "Современные проблемы телекоммуникации республики Узбекистана и интеграции науки с производством" (Ташкент, 1995 г.) -

- научных семинарах при НИИ медицинской техники и приборов (г.Москва.) •

- семинарах кафедры УРС ТЭИС (г.Ташкент, 1997 г.)

- научно-техническом совете ТЭИС (г.Ташкент, 1997 г.)

- научном семинаре НПО "Академприбор" (г.Ташкент , 1997 г.)

- научном семинаре при кафедре "Радиотехника" ТашГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах. Получен патент СССР "Слуховой аппарат".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, заключения, приложения, пяти глав, списка литературы (48 наименований), содержит 144 страниц основного текста, 99 рисунков, 4 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные научные задачи диссертации, определе-"ны практическая ценность и область применения результатов исследования, описана структура и объем диссертации.

В первой главе рассмотрены и проанализированы специфические особенности работы и реализации ключевых усилителей.

Все усилители класса "О" требуют наличия вспомогательных каскадов преобразования аналогового сигнала в импульсную форму. Это преобразование может осуществляться по разным законам, например, ШИМ, КАШИМ, Дельта-модуляция и т.д. Так, наиболее распространенный способ ШИМ достигается путем сравнения высокочастотных импульсов треугольной (пилообразной) формы с низкочастотным сигналом. В соответствии с законом ШИМ, среднее значение импульсов (постоянная и низкочастотная составляющие) представляет собой усиливаемый сигнал, который может быть выделен с помощью фильтра низких частот (ФНЧ).

Комбинированная амплитудно-широтно-импульсная модуляция представляет собой одновременную модуляцию высокочастотных импульсов и по длительности и по амплитуде. Использование КАШИМ в делителе позволяет без увеличения массы устройства и ухудшения качественных показателей расширить диапазон изменения амплитуды усиливаемого сигнала более чем в четыре раза по сравнению с амплитудно-импульсной модуляцией.

На основании обзора и анализа существующих схем произведено обоснование схемного решения усилителей слуховых аппаратов. . ■

Установлено, что эффективность усиления сигнала в целом определяется не только КПД каскада усиления мощности, но и эффективностью выделения низкочастотной составляющей с помощью фильтра и согласовашюйстью импеданса нагрузки с выходным импедансом усилителя.

Исходя из литературного обзора существующих схем сделаны выводы:

- в устройствах, где энергетические параметры с точки зрения экономичности являются одним из важнейших показателей, в частности в усилителях слуховых аппаратов, наиболее целесообразным является применение ключевых усилителей;

- наибольшую эффективность по энергопотреблению можно достичь при использовании дельта-модуляции с переменным шагом квантования (частотно. широтно-импульсьая модуляция). На основе обзора определены основные цели данной работы по. исследованию - возможностей реализации высокоэффективных усилителей звуковой частоты и определены задачи исследования этой проблемы.

Во второй главе проведены исследования характеристик и параметров активных элементов.

Разработан и изготовлен экспериментальный измерительный стенд, предназначенный для исследования электрических параметров активных элементов, который построен на основе промышленных контрольно-измерительных приборов с использованием источников тока, напряжения и специально изготовленных компараторов.

Стенд позволяет иссЛедовать статические и динамические параметры транзисторов (главным образом остаточное напряжение между коллектором и эмиттером).

Создан также специальный узел для исследования выходного импеданса ключевого каскада, реализованного на КМОП-структурах ин игральных микросхем.

Стенд позволяет производить измерения высокого Ш и низкого 1)о уровнен напряжения импульсов сигнала в диапазоне частот от 0 до 120 кГц, что вполне достаточно для исследования частотных свойств многих звукоусилительных устройств.

Получены выражения для коэффициента использования усилительного элемента для верхнего и нижнего плеч

_ Ян Ян

Ли +Roыxí ' Ли +Ячыхо' (1)

где, Ин - сопротивление нагрузки; Явых - выходное сопротшпение усилительного элемента.

1»!

Коэффициент полезного действия каскада усиления, работающего в ключевом режиме:

Рн а*Еп»1о-а*Еп*/о»^ , гил Ч'ТШ'--ШТГ0-— О - где (2)

1о - ток потребляемый усилительным каскадом'от источника питания.

т ф, г и - длительности фронта и плоской вершины импульса. а = ан =аа

Выражение (2) показывает, что для получения КПД более 90% необходимо использовать транзисторы с напряжением насыщения 1Го не более 0,07В для биполярных транзисторов, или сопротивлением каналов не более 30-40 Ом для полевых.

Получено выражение для расчета граничной частоты транзисторов:

др ТО ...700мГц. (3)

где у = /¡21зт,100; Рв=гЪ ,5 Гц.

хи•

Экспериментально получено, что уменьшение сопротивления каналов полевого транзистора, следовательно и выходного сопротивления усилительного каскада, можно только путем параллельного включения этих каналов, а при использовании в качестве усилительных элементов интегральных микросхем - инверторов этих микросхем. Ка базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлены конкретные значения пороговых напряжений источников питания, рабочих частот и выходного импеданса усилительных каскадов на биполярных транзисторах и для транзисторных структур КМОП интегральных микросхем.

Произведен -выбор оптимальных режимов работы инвертаров интегральных микросхем КМОП структуры, указаны пути повышения мощности отдаваемой в нагрузку при параллельном подключении инверторов одного кристалла.

В третьей главе приведены результаты разработки высокоэффективного преобразователя напряжения для питания усилителей слухового аппарата, исследованы различные модуляторы ключевых усилителей, а также энергетическая эффективность ключевых усилителей. *

Транзисторные структуры интегральных микросхем серий К561, К564, К1561 и К1564 позволяют реализовывать экономичные микромощные усилители звуковой частоты при напряжениях питания 2,5 - 3,0 В. При необходимости эти усилители можно запитывать от источников питания, содержащих в своем составе преобразователь напряжения (ПН), питающийся от элемента с напряжением 1,2 - 1,5 В, разработанный и описанный в данной работе.

Предложен к использованию в ключевых усилителях частотно-широтно-импульсный модулятор. '

Разработанная схема этого модулятора отличается малым потребляемым током - 35 мкА в режиме покоя и менее 20 мкА в режиме модуляции.

Частота следования импульсов при использовании ШИМ определяется из условий оптимальной фильтрации, а в схемах с дельта модуляцией, адаптивной как по длительности так и по уровню (частотно-широтно-имиульсной модуляции), частота и должна удовлетворять условию

. (1...4)1/твх «

/и = Дкв (4)

где 1Гтвк - максимальное значение амплитуды преобразуемого сигнала; Рв -верхняя частота преобразуемого сигнала; кв - шаг квантования, определяемый, как абсолютная разрешающая способность модулятора.

На рис.1 приведена зависимость тока потребления от напряжения питания.

Рис 1 Зависимость тока потребления от напряжения питания.

Из рис.1 следует, что потребляемый модулятором ток зависит также от частоты следования импульсол. На графике показаны зависимости для трех частот Ги, установленных при напряжении питания ип=2,7В (.{1=42 кГц, ¡2=50 кГц, [3=61 кГц).

Веерообразное расхождение кривых зависимости 1пот~Кип) при различных значениях начальной частоты объясняется изменением этих частот с изменением напряжения питания ип.

Проанализирована энергетическая эффективность ключевых усилителей, с учетом потерь, которые вносят наибольший вклад в снижение коэффициента полезного действия (КПД). К таким потерям относятся динамические (коммутационные) потери, обусловленные конечностью времени переключения ключевых транзисторов или элементов ИМ С, и'статические потери, обусловленные остаточным напряжением транзисторов или ключей элементов ИМС.

КПД выходного каскада ключевого усилителя

... \ Рвых *ивх> ~ Рвых+^Рп' (5)

где Рп - мощность динамических и статических потерь в ключах выходного каскада.

За период тактовой частоты:

у0 (6) (Л а а+1с Т

1 и^цуа + ! иг{(]щун+5 г/з(0''з(0<" + / щ^ицун

о гф и аис

На основании предложенных формул и анализа напряжений и токов за период

тактовой частоты, получено выражение, связывающее между собой значение КПД

ключевого усилителя и параметры применяемых в усилителе транзисторов:

/, 2 Ун\ mil—£-)

? = , 9F/... ип . 8 й 100%

т V ~Е~) "7Г Зя Г (7)

где т- индекс модуляции; Чн - напряжение насыщения транзистора при максимальном токе через него; 1з- время переключения транзистора.

На основании выражения (7) были отобраны наилучшие транзисторы для использования в ключевых усилителях. Наилучшими можно считать транзисторы КТ342, КТ3107, КТ3102, КТ502, КТ316.

В четвертой главе На основании проведенных исследований частотно-широтно-импульсных модуляторов проведен анализ и даны рекомендации по выбору частоты дискретизации и способа модуляции импульсной последовательности.

Получено оптимальное значение частоты импульсов по критериям допустимых коэффициентов линейных и нелинейных искажений с одной стороны, и показателям энергоэффективности, таким как ток покоя, КПД, чувствительность, с другой. Оптимальное значение частоты импульсной последовательности лежит в пределах Ги = 45 ...60 кГц. При более высоких частотах резко увеличивается ток покоя усилителя, а также снижается чувствительность усилителя. При снижении Ри ниже 45 кГц не удается обеспечить допустимые искажения полезного сигнала.

Разработана методика измерения характеристик ключевых усилителей, которая отличается от классических методов измерения энергетических, электрических пара-

«яров и характеристик усилителей звуковой частоты. Это вызвано тем, что спектр осиленного сигнала, кроме звуковых частот, содержит также частоты дискретизации модулятора.

В связи с этим для снятия многих характеристик и измерения параметров был использован метод эквивалентного воздействия, для чего был разработан и изготовки специальный измерительный стенд.

Данная методика позволяет снимать энергетические характеристики усилителя путем снятия всех характеристик не непосредственно с нагрузки, а с микрофонного усилителя, микрофон которого вместе с излучением помещены в акустическую кучеру.

В ходе экспериментов выяснилось, что акустическая мощность излучателя, измеренная этим методом, имеет нелинейную зависимость от подаваемой нг него мощности, причем имеется критическая точка, когда усилитель входит в режим насыщения по мощности с данным акустическим излучателем. Разность мощности акустического излучения разных излучателей с одинаковым импедансом достигает 10 дБ.

В итоге этих исследований разработан, и запатентован ключевой усилитель слухового аппарата и исследованы его характеристики по международным категориям.

Для повышения мощности ключевого усилителя, отдаваемой в нагрузку, путем параллельного соединения нескольких элементов ИМС КМОП структуры било уменьшено его выходное сопротивление.

Экспериментально исследованы следующие зависимости:

- максимальной выходной мощности, отдаваемой в нагрузку от количества пар.шлелыю включенных инверторов выходного каскада;

- выходной мощности в нагрузке от сопротивления нагрузки;

- тока покоя и тока потребления в режиме усиления от симметричности импульсов;

- гоков покоя и потребления в режиме усиления от импеданса нагрузки;

- тока покоя усилителя от индуктивности фильтра.

Испытания производились с использованием специальной акустической камеры и соответствующей контрольно-измерительной аппаратуры фирмы "Брюль и Кьер"

производства Дании, в лаборатории слуховых аппаратов Российского Н1Л1 медицинской техники и приборов (г.Москва).

Для испытаний использовались российские телефоны ВТУ-1К, ВТУ-1М и не мецкие типа 14А и 120.

Таблица 1

Сравнительные параметры

№ пп Наименование параметра Слуховой^ аппарат К-11С азработанн ый макет слухового аппарата

1. Напряжение источника питания. В 1.5 2,8

2. Ток, потребляемый в режиме покоя, мА 5.2 0,6

3. Выходная мощность, мВт (максимальная) 11,0 10.0

4. Ток, потребляемый при максимальной выходной мощности, мА 21,0 5,0

5. Средний ток потребляемый от элемента питания, мА 10,0 2,0

6. Ориентировочный срок службы элемента питания (при непрерывном пользовании), час 45 250

7; Динамический диапазон сигнала, с!В «45 »38

В таблице 1 приведены сравнительные электрические и энергетические параметры макета слухового аппарата и выпускаемого Московским заводом "Ритм" слу-

■ ' ь

хового аппарата К-11С. . <

В пятой главе исследованы режимы работы частотно-широтно-импульсного модулятора.

При анализе использован метод малых приращений, так как' шаг квантовани: существенно меньше напряжения питания и напряжения порога порогового устройства.'

Проанализированы токи, протекающие по различным ветвям эквивалентно! схемы.

Получена расчетная формула для частоты следования импульсов:

, Я2(1-3-2А£/)-АШгЗ

/и 2М/СЛ2ЯЗ (8)

где К2.КЗ - сопоотитления цепи заряда и разряда соответственно;

С - частотно-задающая емкость; ЛII - шаг квантования.

Для анализа влияния комплексного сопротивления на характеристики усилителя были использованы рекомендации МЭК и работы исследователей влияния изменения параметров громкоговорителей на характеристики усилителей мощности звуковой частоты. Использована рекомендуемая МЭК эквивалентная схема зву-коизлучателя по стандарту 1НРА202.

В результате анализа показано, что включение комплексной нагрузки приводит к резкому увеличению мощности рассеяния Р=10 мВт по сравнению с режимом работы на активную нагрузку Рк=3,5 мВт.

При этом, если выходное сопротивление усилителе мощности соизмеримо с модулем сопротивления нагрузки, перенос фазы вызывает искажение формы сигнала, причем в первой половине ее каждой полуволны.

Показано преимущество дельта модуляции (ДМ) перед другими преобразованиями заключающееся в том, что при одинаковой разрешающей способности каждого из возможных методов кодирования, ДМ имеет всегда меньшую разрядность кода цифрового сигнала.

Показано, что для реализации ключевых усилителей, где фильтрация сигшиюв производится с применением классических аналоговых фильтров, наиболее приемлемой является асинхронная ДМ, не требующая сложных схем и устройств синхронизации ее работы.

Показано, что наиболее оптимальным, по критериям уменьшения погрешности апроксимации, является использование ДМ с переменным шагом квантования 51.'

Также показано, что нестабильность длительности импульса при оптимизации по показателю эффективности, в 1,3 раза больше, чём при оптимизации по стабильности.

В приложении представлен разработанный ключевой усилитель с программно-управляемыми параметрами (громкость, АЧХ, тембр по НЧ и ВЧ, полоса пропускания). Данный усилитель содержит модулятор, преобразующий аналоговый сигнал н импульсный по закону действия адаптивного дельта-модулятора, то есть п цифровую ф:>рму преобразовывается не абсолютное значение сигнала в текущий момент времени, а его изменение по отношению к предыдущему отсчету.

Разработанный усилитель содержит следующие узлы и блоки, определяющие его функциональное назначение: Микрофон (М), преобразующий акустический сигнал в электрический, который усиливается предварительным усилителем (МУ). Каскады предварительного усиления (КПУ) усиливают слабые сигналы до уровня, необходимого для работы модулятора (МР) в линейном режиме. Все регулировки параметров усилителя в целом осуществляются в КПУ путем управления параметрами цепей обратной связи, проводимостью каналов полевых транзисторов.

Разработана схема шумопонижения в паузах путем включения оконечного каскада с плавным захватом порога переключения.

Если принять минимальную длительность произносимой буквы гтп=0,01 сек, время включения схемы вкл должно быть порядка 0,1 пмп=0,001 сек.

Отсюда следует расчет параметров времязадающей цепи

Приведены и исследованы различные схемы построения микрофонных усилителей с использованием дискретных элементов, последовательным включением микрофона с усилителем, использованием специализированной ИМС БУС-1, выбран оп гимальиый вариант.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе аналитических и экспериментальных исследований, проведенных в процессе работы над диссертацией, были получены следующие основные выводы и результаты исследований.

В теоретической части:

1. На основе анализа эквивалентной схемы выходного каскада, ключевого усилителя и аналитических выражений, описывающих его получено выражение для расчета КПД ключевого усилителя (формула 2).

2. Для низковольтного напряжения питания транзисторов получено выражение для определения граничной частоты использования транзисторов (формула 3).

3. В результате анализа вопросов питания каскадов усиления нестандартным напряжением предложены конкретные меры и источники поставки этого напряжения.

4. Исследована энергетическая эффективность ключевых усилителей и даны рекомендации по минимизации потерь в реальном ключевом усилителе. ' !

5. На основе аналитических расчетов и выводов на базе экспериментальных данных, даны рекомендации по выбору элементной базы с точки зрения получения максимального КПД.

6. На основе анализа эквивалентной схемы входной цепи разработанного час-тотно-широтно-импульсного модулятора получено выражение для расчета частоты следования импульсов (формула 8).

7. При анализе влияния комплексной нагрузки па работу ключевого усилителя показано, что оптимальным сопрогивлением нагрузки для разработанного усилителя является гн=600 Ом.

8. Проанализированы различные способы формирования апроксимируюшего сигнала в следящем (адаптивном) ДМ. Показано, что наиболее простым и эффективным способом является использование свойств 1?С- цепи, в частности ЯС-цепи с двойным интегрированием. При этом способе интервалы дискретизации задаются временем прямого интегрирования (временем заряда) и временем обратного интегрирования (временем разряда) конденсатора до значения порогового напряжения. На основе анализа теоретических исследований по различным методам модуляции с использованием вышесказанного, разработан частотно-широтно-импульсный модулятор.

В экспериментальной части:

1. Построена экпериментальная установка, предназначенная для исследования электрических параметров ключевых элементов, для применения их в разработанном высокоэффективном по энергоемкости ключевом усилителе (экспериментально отобраны для этой цели транзисторные пары КТ3102, КТ3107, КТ342, КТ315, КТ361 и полевые транзисторные структуры в составе ИМС КМОП серии К564, К561).

2. Показано, что .пороговые напряжения переключения элемента очень слабо зависят от напряжения питания. Бели выбрать оптимальный участок этой зависимости, то можно получить схему, работающую устойчиво во всем диапазоне питающих напряжений.

3. Получены экспериментальные зависимости, характеризующие усилительные свойства транзисторных структур в диапазоне частот при нижепороговых напряжениях питания.

4. Выбрано оптимальное число инверторов, соединенных параллельно, с целью уменьшения выходного импеданса усилителя. Оптимальное число инверторов -шесть.

5. Разработан и исследован высокоэффективный преобразователь напряжения для питания ключевых усилителей напряжением 2,8В от одного элемента питания (1,45 В). Опытно полученное значение КПД - 85%.

6. Разработаны и исследованы различные виды модуляторов. Наиболее оптимальным видом является частотно-широтно-импульсная модуляция, которую можно отнести к дельта-модуляции с переменным шагом квантования. Показано, что применение данного способа модуляции в ключевых усилителях дает выигрыш КПД по сравнению с другими видами модуляции, на 2 - 5%. Кроме того показано, что час-тотно-широтно-импульсный модулятор обладает уникальным свойством стабилизации уровня выходного сигнала при снижении напряжения источника питания.

7. На основе проведенного анализа и исследования различных схем, был разработан и запатентован ключевой усилитель слухового аппарата, использующий час-тотно-широтно-импульсный модуляцию. 1

Экспериментально исследование разработанного усилителя показало, что слуховой аппарат соответствует всем международным нормам предъявляемым к подобным устройствам и при этом потребляемый ток как в покое, так и в рабочем режиме, значительно (в 2 - 5 раз) меньше аналогичных аппаратов, использующих аналоговые методы усиления (ток покоя всего слухового аьларата меньше 750 мкА).

8. Были проведены испытания макета разработанного ключевого усилителя е лаборатории слуховых аппаратов Российского НИИ медтехники и приборов с различными звукоизлучателями Российского и немецкого производства.

. Результаты показали очень хорошие качественные показатели слухового аппарата ( максимальный уровень создаваемого звукового давления 136 дБ при коэффициенте нелинейных искажений 5%), при сохранении энергетически) преимуществ ключевых усилителей.

9. Разработаны и экспериментально исследованы схемы сопутствующих узлов ключевых усилителей. В частности схема подавления шумов в паузах речевого сигнала, которая позволяет, за счет отключения выходных ключей, заметно снизить ток покоя усилителя. Также разработаны и исследованы различные тигля микрофонных усилителей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

J.-Галиев А.Л., Галиева Р.Г., Лисовский В.А., Корсунцев П.П., Кравцова Л.А. Слуховой аппарат. // Патент СССР N1794282 от 8.11.1992 г. приоритет с 21.05.1991 г. (заявка N9940936, бюллетень изобретений N ).

2. Галиев А.Л., Галиева Р.П, Корсунцев П.П. Ключевой усилитель звуковой частоты с совмещенным модулятором.// Республиканская научно -техническая конференция. Тезисы докладов( часть 2, 1993. - с. 40-41. г.Ташкент.

3. Галиев А.Л., Корсунцев П.П. Исследование схемы преобразователя аналогового сигнала для экономичных ключевых усилителей. // Республика радиотехника, электроника ва алока илмий - техник жамияти. 1994 г. с. 101. г.Ташкент.

4. Абдуазизов A.A., Галиев А.Г., Корсунцев П.П. Исследование оптимальных режимов работы частотно-широтно-импульсного модулятора. //Научно-техническая конференция. Современные проблемы телекоммуникации Республики Узбекистан и интеграции науки с производством. Тезисы докладов. 1995 г. с.53-54. г.Ташкент'.

5. Корсунцев П.П. Специфические особенности реализации усилителей мощности класса D. // Научно-техническая конференция. Современные проблемы телекоммуникации Республики Узбекистан и интеграции науки с производством. Тезисы докладов, с.58. г.Ташкент.

6. Галиев А.Л., Корсунцев П.П. Об одном способе реализации экономичного ключевого усилителя с низким напряжением питания. //Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов ТЭИС. Радиотехнические системы и устройства. Часть 1, 1995 г. с.61т64. г.Ташкент.

7. Корсунцев П.П. Исследование ключевого усилителя слухового аппарата. //Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава, сотрудников и студентов ТЭИС. Радиотехнические системы и устройства. Часть 3, г.Ташкент. 1996 г. с.99-105.

8. Корсунцев П.П. Энергетическая эффективность ключевых усилителей с час-тотно-широтно-импульсной модуляцией. //Сборник научных трудов профессорско-преподавательского' состава сотрудников и студентов ТЭИС. Радиотехнические системы и устройства. ЧастьЗ, 1996г., с.135-139. г.Ташкент.

Раджабов Т.Д.,. Корсунцев П.П. Выборы элементной базы для ключевых усилителей звуковой частоты с низким напряжением питания для слуховых аппаратов. Тезисы докладов по НТК ТЭИС, 1997г. г.Ташкент. ■

SUMMARY

The presented work is result of theoretical and experimental esearches in the field of creation high effective of a key amplifier on the basis of offered frequcncy-vvidht-impulse of modulation, oriented on application in area acoustic artificial limb, as well as development new high effective of units. As a result of work is developed higl^ effective a convert a- of а pressure for feed of a developed key amplifier. A new way noise redaction in pauses of a key amplifier is offered

Experemcntal and theoretically proven, that the development :of a key amplifier, using method of delta-modulation with variable step of quantization, permits to creatc acoustic vehicles with a efficiency up to 85...90 %, that in 2-3 times higher than in vehicles produced in countries UIS, with the characteristics adequate for acoustic of vehicles.

Тарим этилаётган диссертация узгартиргичлар ва шоыуш на-сойтиргичлар таклиф этилган кенг частотали-импульсли модуляция асосида эшитиш протезлари яратиш со$асида ишлатишга, шунингдек, янги ю^ори саыаралй яратишга и^лжалланган калитли кучайтиргич яратишдаги илмий га аыалий таддицотлар натижасидир.

Утказилган изланишлар натижасида калитли кучайтиргич электр-таъминоти учун ю$ори самарали кучланиш узгартиргичи яратилди ва калитли кучайтиргич паузаларидаги шоврнни пачайтиришнинг янги усули ишлаб чи^илди.

Амалий ва назарий таддидотлар дельта модуляция.билан Оирга узарувчан квантлаш цадами усулини дуллавчи калитли кугайтиргич ФИКи 85...90%ги эга эшитиш аппаратлари яратишга инкон'беришли-гини исбоулади, бу эса МДХда ишлаб чицарилаетган шундай эшитиш аппаратлари талабига жавоб берадиган характеристика курсатгичлар идан 2-3 марта юцоридир.

Подписано в печигь'13.05.97 г. Формат 60x84 Бумага Р I оперативная печать печ.л.0,75 Отпечатано на ротопринте в ТЗИС зак.275-100-97

Ташкен^-84, ул. Амира Теыура, 108