автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка теории и принципов построения аналого-дискретных усилителей
- доктора технических наук
- Догадин, Николай Борисович
- город
- Санкт-Петербург
- год
- 2003
- специальность ВАК РФ
- 05.12.04
- цена
- 450 рублей
Автореферат диссертации по теме "Разработка теории и принципов построения аналого-дискретных усилителей"
На правах рукописи
ДОГАДИН Николай Борисович
РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ И ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ АНАЛОГО-ДИСКРЕТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства
радионавигации, радиолокации и телевидения
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003
Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
В. Ф. Дмитриков
Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ
доктор технических наук, профессор М.А. Сивере
Ведущая организация: ФГУП ЦНИИ «МОРФИЗПРИБОР»
Защита диссертации состоится 2 октября 2003г. в 14 часов в 413 ауд. на заседании диссертационного совета Д 219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61, ауд.413.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета
Лауреат Государственной премии СССР доктор технических наук, профессор Э.В. Сырников
доктор технических наук, профессор В.Ф.Худяков
Автореферат разослан «
»
2003 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ..
В.Ю. Волков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Вопросы повышения энергетической эффективности радиоэлектронных устройств и снижения мощности потерь в их активных элементах постоянно являются предметом интенсивных исследований специалистов. Усилители звуковой частоты (УЗЧ) являются одними из наиболее распространенных радиоэлектронных устройств. Они используются в радиовещательной и связной аппаратуре, в качестве модуляторов радиопередатчиков, в устройствах автоматики, источниках питания и так далее. В переносной аппаратуре именно ими, как правило, определяется срок работы батарей питания и массогабаритные показатели устройств.
Однако, как показывают исследования, в условиях реальных вещательных сигналов КПД наиболее широко распространенных в настоящее время усилителей режима В не превышает 24%. В этом случае только 24% мощности, потребляемой от источника питания, идет на формирование полезного сигнала, а основная ее часть (76%) создает бесполезные потери в активных элементах усилителей. В аппаратуре, снабженной регулятором громкости, роль потерь увеличивается, так как для создания комфортных условий прослушивания выходная мощность усилителя обычно устанавливается значительно меньше максимально возможной. Поэтому вопросы уменьшения мощности потерь в активных элементах УЗЧ и повышения их КПД являются весьма актуальными.
Уменьшение мощности потерь позволяет:
- снизить нагрев активных элементов, а значит уменьшить или полностью исключить радиаторы. Это улучшает массогабаритные показатели аппаратуры, ее тепловой режим, экономит металл-и затрачиваемые на его обработку материальные, а также трудовые ресурсы;
- повысить КПД устройства, т.е. экономить электроэнергию (как сырье) и снизить затраты на эксплуатацию оборудования.
Таким образом, решение этой проблемы имеет важное не только техническое, но и хозяйственное значение: позволяет экономить сырьевые, материальные, топливно-энергетические ресурсы.
В диссертации на основе теоретических и экспериментальных исследований показан один из путей решения этой задачи. Работа посвящена вопросам теории и практической реализации усилителей звуковой частоты, энергетическая эффективность которых (выигрыш в токе питания, КПД, снижении мощностей потерь в активных элементах) для вещательных сигналов (обладающих большим пик-факгором) значительно (вдвое и более) выше, чем в усилителях режима В. Они наиболее эффективно могут быть применены при разработке устройств с ограниченными массогабаритными показателями, питающихся от автономных источников, а также при микроминиатюризации аппаратуры, позволяя разрабатывать и производить аналоговые радиотехнические устройства значительной мощности в интегральном исполнении.
В технике звуковоспроизведения в настоящее время известны несколько способов повышения энергетической эффективности усилителей аналоговых сигналов. Наиболее распространенные из низев^г^Щ^^д^зд используют уси-
1 ^библиотека ,
1 СПетсрбург Г«^
1 оэ
/¿¿7
лители режима Б. В их исследовании и развитии большой вклад внесли крупные отечественные ученые Д.В. Агеев, В.В. Маланов, А.'Д. Артым, В.Ф. Дмитриков, М.А. Сивере, А.А. Алексанян, К.К. Никитин, Э.В. Сырников и многие другие. Такие усилители, обладая высоким КПД (в идеальном случае стремящимся к единице), имеют ряд особенностей, которые затрудняют, а иногда делают невозможным, их использование в радиоэлектронной аппаратуре, предназначенной для воспроизведения широкополосных сигналов произвольной формы с большим динамическим диапазоном. Именно к ним относятся сигналы, используемые в радиовещании и телевидении. Характерное для усилителя режима Б преобразование входного аналогового сигнала в модулированную по длительности последовательность импульсов (ШИМ), усиление ее с высоким КПД и восстановление в нагрузке исходного сигнала сопровождаются рядом недостатков, к наиболее крупным из которых относятся:
- потеря части информации в промежутке между выборками аналогового сигнала при его преобразовании в ШИМ-колебание, осуществляемом в устройствах с ограниченной полосой пропускания. Это особенно значимо в случае обработки одиночных или высокоточных сигналов произвольной формы, например, существующих в медицине (кардиограмма и др.), измерительной технике (осциллографы и т.д.), в высококачественном звукоусилении и так далее;
- широкополосность спектра формируемой последовательности ШИМ. Возникающие при этом гармоники и комбинационные составляющие могут попасть в рабочий диапазон частот аппаратуры, создавая помехи. Экранировка усилителей увеличивает их габариты и вес, но не всегда достаточно эффективна;
- конечная величина минимальной длительности импульса в формируемой ШИМ-последовательности, обусловленная конечными значениями его фронта и среза. Это ограничивает порог зоны чувствительности преобразователя и его динамический диапазон. Понижение тактовой частоты ШИМ при диапазонной работе усилителя ухудшает ее фильтрацию, создавая экстраполяци-онную неточность восстановления сигнала. При соизмеримости тактовой и рабочих частот может возникнуть эффект «дробления импульса», т.е. формирование за тактовый период более одного импульса, что ухудшает восстановление формы входного колебания;
- наличие в усилителе режима Б динамических потерь, обусловленных инерционностью используемых элементов и паразитными реактивностями. Они существенно ухудшают КПД усилителя при малых амплитудах сигнала, часто встречающихся в колебаниях с большим пик-фактором;
- наличие в усилителе статических потерь, обусловленных остаточными напряжениями на транзисторах и диодах. Особенно сказываются при малых напряжении питания и амплитудах усиливаемого колебания, уменьшают КПД и является источником дополнительных искажений усиливаемого сигнала;
- повышенные требования к величине пульсаций напряжения источника питания. Они вызывают дополнительную амплитудную модуляцию ШИМ колебания, обогащают спектр сигнала, ухудшает точность его восстановления;
- необходимость применения для восстановления первоначальной формы колебания фильтра нижних частот (ФНЧ). По приводимым данным фильтр в
некоторых случаях занимает до 50 - 70% общей массы и габаритов аппаратуры;
- сложность введения достаточно глубокой отрицательной обратной связи, подаваемой с выхода ФНЧ на преобразователь ШИМ. Существующие в сигнале обратной связи составляющие тактовой частоты преобразователя и комбинационные составляющие имеют по отношению к входному колебанию значительные фазовые сдвиги, что ухудшает линейность преобразования, способствует появлению в нем дополнительных искажений, нарушает устойчивость работы усилителя.
Указанные особенности приводят к увеличению искажений восстановленного сигнала и заставляют выбирать тактовую частоту в 7 - 10 раз большей верхней граничной частоты диапазона усиливаемых колебаний..
Для уменьшения некоторых из перечисленных недостатков были предложены адаптивная ШИМ, использование нескольких каналов ШИМ, работающих при разных амплитудах входного сигнала и другие Способы. Однако, не устраняя полностью указанных выше недостатков, такие решения из-за непостоянства в них тактовой частоты приводят к обогащению спектра результирующего колебания.
Таким образом, при наличии высокой энергетической эффективности усилители режима Б обладают рядом особенностей, которые затрудняют, а иногда — исключают возможность использования их и в переносных, и в высоколинейных, и в широкодиапазонных устройствах с оперативной регулировкой уровня выходного колебания, работающих совместно с чувствительной аппаратурой. Положение осложняется тем, что с развитием новых видов связи и резким увеличением числа передающих и приемных устройств эффективное использование спектра выделенных частот, электромагнитная совместимость оборудования и его экономичность приобретают особую актуальность. Рабочая полоса частот является национальным достоянием. Решение этих проблем возможно в сочетании использования цифровых и аналоговых радиоэлектронных устройств, каждое из которых должно быть применено в областях его наиболее целесообразного использования. Это позволяет рассматривать создание экономичных усилителей с отсутствием или существенным снижением указанных недостатков как важную народно-хозяйственную задачу.
Отличительной особенностью приведенных в диссертации исследованиях усилит.елей является существенное снижение, а в некоторых случаях отсутствие указанных недостатков. Такие усилители состоят из нескольких работающих поочередно на общую нагрузку усилительных каналов, переключение которых происходит в зависимости от величины мгновенного значения усиливаемого сигнала. Первый из каналов используется при малых мгновенных значениях сигнала и всегда работает в аналоговом режиме. Все остальные могут быть либо также аналоговыми усилителями, либо работать в режиме Б. Вещательные сигналы имеют большой пик-фактор, поэтому работа первого канала преобладает. Она не требует широтно-импульсного преобразования колебания, а значит, в усилителе недостатки режима Б отсутствуют или оказываются значительно ослабленными, даже если второй канал работает в ключевом режиме.
Впервые способ построения усилителей, использующий переключение каналов, предложил отечественный радиоспециалист Х.М.Виленский в 1940 г., однако, подробное исследование и практическое использование таких усилителей началось с 70-х гг. 20 в. В это время практически одновременно специалистами СССР, НРБ, ФРГ, Японии и США был опубликован ряд работ, посвященных этому вопросу. Различные способы построения аналого-дискретных усилителей были исследованы в работах В.Н. Ногина, Н.Б. Петяшина, В.М Кибакина, ЛЯ. Венчацкого, В.В Попова, А.И. Скокова, JI.B. Бессчетновой, Х.Д. Шинева (НРБ), В.Б. Василева (НРБ), В.М. Софиянского (НРБ), Г.И. Крыстева (НРБ) и других.
В настоящее время такие усилители продолжают разрабатываться и серийно выпускаться ведущими зарубежными фирмами, например, Yamaha Corporation.
Однако исследователи, рассматривая различные способы построения усилителей, применяли к ним частные методики. Это породило многочисленную классификацию, усложняющую анализ и оценку потенциальных энергетических возможностей различных способов построения экономичных усилителей, поэтому назрела необходимость введения обобщенной математической модели экономичных усилителей для исследования их энергетических характеристик, позволяющей с единых позиций не только рассматривать различные известные способы построения усилителей, но и на основе анализа модели разрабатывать новые способы. Таким образом, требуется обобщение и развитие теории построения аналого-дискретных усилителей.
Одним из основных энергетических показателей усилителя является его КПД. До работ автора величина КПД была рассчитана только при усилении гармонического колебания и лишь в частных случаях - для неограниченного по амплитуде речевого сигнала. Однако гармоническое колебание не отражает энергетические характеристики вещательной аппаратуры в условиях реальной эксплуатации. Это не позволяет объективно рассчитывать энергопотребление и выбирать оптимальными соотношения напряжений питания каналов. Объективный анализ может быть произведен только с использованием моделей повседневно встречающихся сигналов: речевого и музыкального. Известно несколько аппроксимаций таких сигналов. Все они различаются между собой, что не позволяет априорно использовать одну из них, требует уточнения вероятностных моделей сигналов и их адаптацию для энергетических исследований усилителей. При этом необходимо учитывать, что при прохождении по каналам связи сигналы, как правило, подвергаются амплитудному ограничению, которое значительно влияет на энергетические характеристики аппаратуры. Следовательно, необходимо введение математических моделей речевого и музыкального сигналов, учитывающих их изменения при прохождении по каналам связи и предназначенных для анализа энергетических показателей усилителей.
Получить в усилителях набольший выигрыш КПД можно только при оптимизации числа усилительных каналов и уровней их переключения (мгновенных значений сигнала, при котором отключается один и подключается оче-
редной канал). Их необходимые величины могут быть объективно обоснованны лишь при комплексном подходе, учитывающем как схемотехнические возможности, так и модели реально воспроизводимых сигналов, поэтому необходимо решение этих задач.
В усилителях, предназначенных для работы в стационарных условиях, при питании от электрической сети различающиеся напряжения питания создаются с помощью отдельных выпрямителей. В переносной аппаратуре применение нескольких отдельных батарей затруднено необходимостью использования их числа, кратного количеству каналов, и эксплуатационными неудобствами, связанными с неодинаковостью разряда батарей. Следовательно, необходима разработка искусственных источников питания каналов (схемотехнических эквивалентов батарей), позволяющих от общего источника получать с высоким КПД несколько различных напряжений.
Создание искусственных источников с напряжениями, превышающими общий источник, особенно актуально в бестрансформаторных усилителях, где их использование, кроме повышения экономичности, приводит к увеличению максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке, а значит, и выходной мощности. Каждый из таких способов построения требует энергетического анализа его целесообразности.
Одними из основных параметров аппаратуры являются ее массогабарит-ные показатели. Требуемая для этого схемотехническая оптимизация устройства является одной из наиболее актуальных проблем, без решения которой невозможно построение конкурентоспособной аппаратуры.
Таким образом, указанные недостатки аналого-дискретных усилителей не позволяли до сих пор в полной мере объективно оценить различные способы построения экономичных усилителей, оптимизировать их работу, выявить области наилучшего применения и сдерживают их широкое внедрение.
Перечисленное выше требует развития теории аналого-дискретных усилителей, оптимизации известных и разработки новых принципов их построения, подробного исследования усилителей. Актуальность исследования подтверждается и разработками ведущих зарубежных фирм, постоянно патентующих свои технические решения по этой проблематике: Yamaha Corporation, Alcatel, Kabushiki Kaisha Toshiba, Telefonaktiebolaget Lm. Ericsson, Sanyo Electric Со. Ltd. и других.
Цель и основные задачи диссертации. Целью работы является обобщение^ развитие теории, принципов и методов построения аналого-дискретных усилителей для достижения в них в условиях вещательных сигналов высокого КПД при резком снижении или устранении недостатков, присущих режиму D.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:
1. Разработка обобщенной математической модели аналого-дискретных усилителей для их энергетических исследований.
2. Разработка новых принципов построения аналого-дискретных усилителей, позволяющих наиболее полно реализовать присущие им преимущества.
3. Уточнение математических моделей реальных речевого и музыкально-
го сигналов, предназначенных для энергетических исследований усилителей и учитывающих изменения сигналов, возникающие при их прохождении по реальным каналам связи.
4. Анализ на основе разработанных математических моделей предельных и реальных энергетических характеристик аналого-дискретных усилителей, определение оптимального числа требуемых каналов и соотношения их напряжений питания.
5. Исследование с использованием обобщенной модели аналого-дискретного усилителя и особенностей построения, анализ предельных и реальных энергетических характеристик:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов и искусственными источниками питания первого, либо второго каналов;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным источником питания первого канала;
- предложенного усилителя смешанного режима с адаптивным источником питания первого канала.
6. Анализ предельных возможностей предложенного метода построения экономичных усилителей, в которых коэффициент передачи изменяется синхронно с напряжением питания усилителя.
7. Анализ и исследование качественных показателей аналого-дискретных усилителей.
Методы исследования. При решении поставленных задач используются методы теории электрических цепей, ряды Фурье, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, теории случайных процессов, математической статистики, численного моделирования на ЭВМ. Достоверность полученных результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна полученных результатов. Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Предложена и разработана обобщенная математическая модель анало-го-дискретных усилителей, предназначенная для их энергетических исследований. В ней напряжение и ток питания усилителей являются: одно (любое) непрерывной, а другое - дискретной функцией представления усиливаемого колебания. Такая модель описывает все известные в настоящее время способы построения аналого-дискретных усилителей.
2. Уточнены и обобщены математические модели речевого и музыкального сигналов, предназначенные для энергетических исследований усилителей. Они учитывают изменение уровня сигналов, подаваемых на вход усилителя мощности, и их амплитудные ограничения как наиболее характерный вид искажений, возникающих в реальных каналах связи. Это необходимо для оптимального проектирования аналого-дискретных усилителей (выбора числа уровней квантования сигнала,' соотношения напряжения питания каналов и т.д.) и позволяет объективно оценивать их энергетические характеристики в условиях реальной эксплуатации.
3. Предложены, разработаны и исследованы новые методы построения энергетически высокоэффективных усилителей, учитывающие статистические свойства реальных вещательных сигналов и условия эксплуатации усилителей:
- усилители смешанного режима с адаптивным источником питания первого канала;
- с регулируемым источником питания, напряжение которого изменяется синхронно и пропорционально коэффициенту передачи усилителя.
4. На основе обобщенной модели аналого-дискретных усилителей с учетом специфики построения устройств разработаны математические модели
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов и искусственными источниками питания;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным источником питания первого канала;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с адаптивным источником питания первого канала.
5. Исследован КПД различных типов усилителей (включая режимы В и Б) при реальных сигналах. Изучено влияние на него уровней ограничения сигналов, режимов работы и т.д. Выбраны оптимальные режимы работы аналого-дискретных усилителей. Даны рекомендации по их инженерному проектированию. Полученные результаты подтвердили перспективность применения таких усилителей. В ряде из их типов КПД достигает 90%, при этом большую часть времени сигнал передается без специфических искажений, присущих режиму Б, что позволяет существенно повысить качество звукоусиления.
6. Рассмотрены причины снижения и разработаны методы повышения качественных показателей усилителей при сохранении их высокой энергетической эффективности.
Практическая ценность диссертации.
1. В результате выполненных исследований определены оптимальные режимы и области наиболее целесообразного использования каждого из типов аналого-дискретных усилителей. Разработана методика их инженерного расчета.
2. Разработано более 30 технических решений, позволяющих в зависимости от требований, задаваемых при проектировании усилителей, оптимизировать варианты их построения (использовать трансформаторные или бестрансформаторные усилители, применять искусственные источники питания первого или второго каналов и т.д.) для наиболее полного использования достоинств, прису-щюаданным усилителям. Двадцать из разработанных технических решений признаны изобретениями, на которые выданы авторские свидетельства СССР или патенты РФ и одно подтверждено Свидетельством РФ на полезную модель.
3. Из рассмотренных в диссертации типов усилителей 12 доведены до практических схем реализации, испытаны экспериментально и подтвердили свою высокую экономичность. В них выигрыш в КПД по сравнению с режимом В не только достигает, но и превышает двойной. Ряд из них внедрены, остальные могут быть рекомендованы для промышленного производства.
4. Показано, что аналого-дискретные усилители могут быть эффективно использованы в источниках бесперебойного питания.
Использование полученных в диссертационной работе результатов.
Выполненное исследование статистических свойств речевого сигнала использовано при разработке «Устройства автоматического контроля уровня вещательных программ». Последнее изготовлено и успешно эксплуатируется в Волгоградском областном радиотелевизионном передающем центре (ОРТПЦ). За эту разработку автор награжден Золотой медалью ВДНХ СССР. Разработанные энергетически высокоэффективные усилители применены в контрольных, звуковых агрегатах, эксплуатируемых Волгоградским ОРТПЦ; в устройстве аварийного оповещения Волгоградского радиоцентра, в разработках ООО «Лаборатория лазерной метрологии»; в оборудовании, используемом в Управлении связи, спецтехники и автоматизации Главного управления внутренних дел Санкт-Петербурга и Ленинградской области, а также в Главном управлении по делам ГО и ЧС Санкт-Петербурга.
Экономичный усилитель для электромегафона использован ОАО «ИРПА им. A.C. Попова» при разработке мегафонов различного назначения (аварийного авиационного, для нужд МВД и т.п.). Разработанный энергетически высокоэффективный усилитель применен в выпускаемой серийно ПО «Весна» (г.Днепропетровск) сигнально-громкоговорящей установки СГУ-ЮОМ. Результаты выполненных исследований и предложенные варианты экономичных усилителей использованы в ряде методических разработок по соответствующим курсам, предназначенных для обучения студентов радиотехнических специальностей вузов, а также применены в учебных процессах Нижегородского государственного технического университета и Волгоградского государственного педагогического университета, что подтверждается соответствующими актами. Часть результатов использованы при написании учебника Павлова В.Н., Ногина В.Н. «Схемотехника аналоговых электронных устройств» (М.: Радио и связь, 1997, 2001, 2002, рекомендованного для студентов радиотехнических специальностей вузов РФ).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей для исследования их энергетических характеристик и разработанные на ее основе с учетом специфики принципов построения устройств модели:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов и искусственными источниками питания;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным источником питания первого канала;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с адаптивным источником питания первого канала.
2. Обобщенные математические модели речевого и музыкального сигналов, предназначенные для энергетического исследования усилителей.
3. Разработанные принципы и предложенные методы построения усилителей:
- с искусственными'источниками питания каналов;
- с адаптивным источником питания первого канала в усилителе смешанного режима;
— с регулируемым источником питания, напряжение которого изменяется синхронно и пропорционально коэффициенту передачи усилителя по напряжению.
4. Результаты исследования энергетической эффективности и качественных показателей аналого-дискретных усилителей, использующих различные принципы и методы построения.
5. Рекомендации по выбору режимов работы и областей применения рассмотренных устройств.
6. Предложенные схемотехнические варианты энергетически высокоэффективных усилителей, реализующие их достоинства, практическая реализация усилителей.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники», М. 1995; 1-st IEEE International Conférence On Circuit And Systems For Communication (ICCSC-2002), SPb, 2002; всероссийских конференциях: «Радиоприем и обработка сигналов», Н.Новгород, 1993; «Перспективы и развитие радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники», СПб, 1993; «Информационные системы и технологии (ИСТ-2001)», Н. Новгород, 2001; «Состояние и перспективы развития энергетики связи (СПРЭС-2001)», СПб, 2001; «Методы и средства измерений», Н. Новгород, 2002; региональных конференциях: НТК, посвященная Дню радио, Ростов-на-Дону, 1992; 54 и 55 НТК СПбГУТ. СПб, 2002,2003.
Публикации. Результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 73 работах, среди которых 30 статей, 21 авторских свидетельств СССР, патентов и свидетельств РФ. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на 296 страницах, включающих 102 иллюстрации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дан краткий обзор современного состояния проблемы, сформулированы основные задачи исследований, рассмотрены научная новизна и практическая ценность работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обобщению и развитию теории построения аналого-дискретных усилителей. Разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретного усилителя; уточнены математические модели речевого и музыкального сигналов, предназначенные для энергетических исследований усилителей; проанализирован КПД усилителя, имеющего различное число переключаемых каналов, работающих поочередно на общую нагрузку.
Известные в настоящее время методы построения энергетически высокоэффективных усилителей звуковых частот, КПД которых в пределе стремится к
единице, могут быть представлены единой обобщенной математической моделью, позволяющей оценивать их энергетические показатели.
При представлении усиливаемого сигнала временной функцией мощности: Рвых (формируемая в нагрузке усилителя /?н) и />пит (потребляемая от источника питания) определяются по формулам:
Т/Л р т N *к
^«тах/М^тах/М^пит - " "Г* 2 а* (1)
^вых -
1
Г/4
О
77 4
А=1
f*-l
N
где f[t) - непрерывная, а £ ав^. - дискретная функции представления усили-
*=1
ваемого колебания, Ummm - предельная амплитуда напряжения, формируемая в RH, ограниченная напряжением питания и остаточными напряжениями на
транзисторах, Immax - максимальный ток нагрузки, Еп и /птах ~ максимальные значения напряжения питания усилителя и потребляемого тока.
КПД усилителя г| = Рвых^пиь мощности потерь в нем - РПот = Ртш{ 1 - л)-В аналого-дискретных усилителях пропорционально дискретной функции представления колебания изменяют напряжение или максимальный ток питания усилителей (одноступенчатое квантование напряжения питания — режим В рис. 1,а,в, трехступенчатое - рис. 1,6,г). Длина показанных на рис. 1 штрихов отображает мгновенное напряжение потерь на основных усилительных транзисторах. Из рассмотрения рисунка видно, что наибольший выигрыш в мощностях потерь, а значит и КПД, возникает при малых амплитудах усиливаемого сигнала, которые наиболее часто встречаются в вещательных сигналах.
тг~-
>
а) — — б) ' в) г) т*
Рис. 1. Напряжения потерь при одно (а, в) и трехступенчатом (б, г) квантовании питания усилителя и различных амплитудах напряжения на нагрузке
К этой модели могут быть сведены усилители с квантованием напряжения питания (режим ВС), в том числе со следящим напряжением питания; с дискретным изменением коэффициента трансформации выходного трансформатора (квантованием тока питания); с формированием ступенчатого напряжения (ступенчатой аппроксимацией усиливаемого сигнала и последующей его фильтрацией); с изменяющимся питанием; усилители смешанного режима (первый из каналов работает как аналоговый усилитель, а второй — в ключевом режиме); а также усилители режима Б (рис. 2).
Рис. 2. Классификация усилителей
Расчет и анализ КПД усилителей обычно проводят на гармоническом сигнале. Однако получаемые при этом энергетические характеристики аппаратуры, как правило, не соответствуют измеренным в процессе реальной эксплуатации. Реальные сигналы, как правило, непериодические и нерегулярные, поэтому их удобнее представлять не в виде функции времени, а как функцию нормированных относительно максимального мгновенных значений 0 < х < 1. В этом случае РВых и Рхш-
1 2 N *-=к
Лшх =иттгх1ттзх Iх /(*)<&» рпт = £п7ттах \х/{х)ск, (2)
О к=1
а КПД усилителя
где £¿-1 и относительные амплитуды переменного напряжения на нагрузке, соответствующие уровням переключения источников питания; £о=0;
Qc~ Umaxk/Ummaxl Umax£- максимальная амплитуда, формируемая в нагрузке, при работе k-ro канала; 5max= ^Д^итах- максимальное значение относительной амплитуды, формируемой в нагрузке (0 < £max < 1), Щ - максимальное текущее мгновенное значение сигнала, действующее на нагрузке; 5ост= '"ост/^н -нормированное остаточное сопротивление насыщения транзистора; для детерминированных сигналов fix) соответствует их аналитическому описанию, для случайных сигналов - плотности распределения вероятности мгновенных значений колебаний w(x).
Формулы (1) - (3) позволяют рассчитывать энергетические характеристики всех перечисленных выше усилителей, поэтому они являются обобщенной математической моделью аналого-дискретного усилителя, предназначенной для его энергетических исследований.
В настоящее время известен ряд математических моделей речевых и музыкальных сигналов, рассмотренных в работах A.B. Шитова, Б.Г. Белкина, Г.С. Гензеля, Б.А. Ферсман, A.B. Римского-Корсакова, B.C. Неманова, W.B. Davenport, А.И. Величкина, В.Н. Ногина и др., но ни одна из них не позволяет остановиться на какой-либо из моделей и требует дополнительных исследований этих сигналов. Указанные аппроксимации моделируют, как правило, точные акустические свойства сигналов, поэтому полученные математические выражения громоздки и сложны.
При исследовании энергетических характеристик вклад, вносимый различными участками сигнала, в полную его мощность неодинаков (при малых уровнях сигнала он незначителен), что позволяет предполагать упрощение математических моделей сигналов, предназначенных для энергетических исследований усилителей. Кроме того, при прохождении сигналов по каналам связи от источника программы до потребителя они подвергаются амплитудному ог-
4 =
раничению, которое значительно влияет на энергетические показатели аппаратуры. Его возникновение связано с несколькими факторами, в том числе с использованием в центральных и вещательных аппаратных ограничителей уровня вещательных программ. Усилители, как правило, снабжены регуляторами, с помощью которых можно оперативно изменять их коэффициенты усиления, а значит, и громкость звучания воспроизводимого сигнала.
В реальных условиях очень часто оба эти вида изменений колебания действуют одновременно, поэтому плотность вероятности сигнала, поступающего на вход усилителя после регулятора громкости, в общем случае может быть представлена в обобщенном виде:
Ч*) = "кол(*/Стах)^тах + ^Стах - а) ИО" (4)
где м>кол(х) - плотность распределения вероятности неограниченного по амплитуде колебания; Стах" ЭДД^ятах ~ учитывает положение ручки регулятора громкости; а = ^«шах^нтах (л < 1) - относительный уровень ограничения
сигнала; С/ншах ~ максимальное мгновенное значение сигнала, действовавшего бы на Дн при устранении факторов, ограничивающих сигнал (фиксированное напряжение питания и наличие остаточных напряжений на транзисторов); 5(у) - единичная дельта функция; Щ1), Ща) - интегральные функции вероятности непревышения сигналом максимального уровня и уровня ограничения соответственно.
В процессе выполненного исследования с использованием теории случайных процессов, математической статистики, применяя метод моментов, критерии согласия А.Н. Колмогорова и К. Пирсона (хи-квадрат), установлено, что основные компоненты радиовещательного сигнала (речевой и музыкальный), учитывающие рассмотренные выше особенности, могут быть представлены в виде следующих аппроксимаций плотностей распределения вероятностей мгновенных значений их обеих полуволн:
речевой сигнал
т*р (х) = 6в + 5(—- а)(Ф(Т12) - Ф{^2а)), (5)
Ьшах-\/6)к/Ьтах ^ музыкальной сигнал
Ьтах
ГЖ.„а)(е-ЛПа_е-Яп\ (6) \>тах Л '
2 У 2
Здесь Ф(у) - —г= |ехр(-/ / 2) А - интеграл вероятности, П — пик-фактор кол/ 2я0
лебания, учитывающий жанр произведения (в основном, 3 < П < 9), наиболее вероятным значением которого является П = 6.
Предложенные аппроксимации целесообразно использовать для расчетов энергетических показателей аппаратуры при воспроизведении реальных вещательных сигналов, подставляя (5) и (6) вместо Дх) в формулы (2) и (3).
КПД усилителя при различных видах колебаний, в которых учитываются рассмотренные выше изменения сигналов, могут быть найдены по формулам: гармоническое колебание
агсзт(я) - ¿гЛ-д^ +с?~п
1—агсБт(а)
ТЕ
Стах
2о(1+5ОСТ)
N к=\
(7)
1 -а1
^тазсхк-
-П^а-
Ч 'шах
1 — агсзт(а) п
речевой сигнал
\ 42%
Т1 =
ЛА
(з-Л4)*>(,4) + Л4Ф(7Т2)]-
0,5л/2л[^2Ф(л/12) + (1 - А2 )Ф(Л)]~ А ехр(-А2 /2) -
Л +3 -А2/ 2„ .... . "е Ктах'С^Оост)
- N
- Е
к=1 2
(8)
музыкальный сигнал
{^-аГш
<1+8ост)
а2П2+а^П+1
+а7(е-аШ_е-4ш
П
N к=1
\+а&П
С
тах J
Сшах -^{е-^Л+аТше-ГШ)
• (9)
Формулы (7) - (9) позволяют рассчитать КПД усилителя с произвольным числом усилительных каналов (АО, различными уровнями их переключения (агД степени ограничения сигналов (а) и положения регулятора громкости (^шах)- В них А = 4\2а, В к =Л/12д^тах^/Стах , ге0= 0, а для последнего канала згм= 1.
При вычислении КПД для различных значений Стах/Н - ^тах - СтахУс число сомножителей под знаком суммы ограничено ближайшим номером канала (к), уровень переключения которого превышает Стах> и его напряжение питания определяет последнее значение эгд', но только для последнего канала усиления ае^= 1.
В усилителях с квантованием напряжения питания щ = Е^Еи, при квантовании тока питания (например, в усилителях с дискретным изменением ко-14
эффициента трансформации выходного трансформатора) Щ- 1ттаяхк!^ттах-При построении усилителей число уровней квантования, как правило, выбирают небольшим, что не позволяет получить КПД близким к 100%, но обеспечивает значительное его повышение по сравнению с усилителем режима В. Результаты расчета предельного КПД усилителя при речевом сигнале максимальной амплитуды (£тах= % ~ 1) показывают (рис. 3), что наибольшее приращение выигрыша в КПД при любой степени ограничения сигнала (а) достигается при небольшом числе каналов. Причем чем больше степень ограничения сигнала, тем меньше приращение выигрыша, что объясняется повышением степени прямоугольности усиливаемого колебания.
Та же тенденция сохраняется в т|тах случае усиления музыкального сиг-
нала, следовательно, оптимальными вариантами являются усилители с небольшим числом (2 — 3) каналов усиления, в которых наибольший выигрыш в КПД сочетается с небольшим числом добавляемых компонентов.
При подстановке N=1 в (7)-(9) можно рассчитать величину КПД усилителей режима В. В случае идеального усилителя (6осг~ 0 и
£тах = £) Для неограниченного по амплитуде речевого сигнала (а = 0 дБ) КПД может быть найдена по формуле т] = 0,24312;, что совпадает с данными, приведенными в
0,8
0,6
0,4
0,2
Ы- 2 /
#=4
0 -3 -6 -9 -12 -15 а, дБ Рис. 3. Предельный КПД усилителей с различным числом переключаемых каналов {№) при речевом сигнале
монографии Ногина В.Н. «Усилители со ступенчатым управлением напряжением на транзисторах» (М.:Связь,1979). С повышением степени ограничения сигнала КПД усилителя повышается, что объясняется увеличением пик-фактора
колебания. Его величина вычисляется по формуле г| = г|тах^, где значения ^щах
- КПД усилителя при максимальной амплитуде сигнала (Стах~ ^ = !)•
Наличие в музыкальном сигнале колебаний с различным пик-фактором приводит при их воспроизведении к существенно разным значениям максимального КПД усилителя режима В (табл. 1). Напомним, что П— 3 и 9 соответствуют границам диапазона изменения пик-фактора, а П = 6 - его середине.
Таблица 1
а, дБ 0 -3 -6 -12 -20
речь 24,31 33,63 44,16 63,88 81
'Птах>/'° музыкаЯ = 3 40,5 54,1 65,8 82,1 92,8
музыка Я = 6 23,4 32,7 44,1 66,9 86
музыка/7=9 15,7 22,2 31 54 79,3
Из рассмотрения приведенных результатов видно, что с увеличением уровня ограничения (а) расхождения между достижимым КПД для сигналов с различными пик-факторами уменьшается. Это объясняется приближением всех колебаний к прямоугольному виду, причем сигналы с малым значением П приближаются к нему наиболее быстро.
Рассмотрена энергетическая эффективность усилителя с двумя каналами усиления (режим ВС). Для его реализации требуется добавление по сравнению с усилителем режима В только одного усилительного канала. Анализ КПД усилителя при различных видах колебаний можно проводить по (7) - (9), подставляя в них JV= 2.
Исследования идеального усилителя (5кр=0), показывают, что при воспроизведении им амплитудно-ограниченного речевого сигнала максимального
динамического диапазона 1) значение относительного напряжения
питания 1-го канала аеь при котором выигрыш в КПД близок к максимальному, зависит от уровня ограничения колебания (а), находится в пределах 0,3 < as, < 0,5 и увеличивается с увеличением а. Однако ее, обычно не регулируется, поэтому для нахождения ее квазиоптимального значения проведено сравнение КПД двух идентичных усилителей с э^ = 0,5 и 0,3, как наиболее просто реализуемых (табл. 2).
Таблица 2
а, дБ 0 -3 -6 -12 -20
Лтах>%' asi = 0,3 47,48 54,04 61,18 74,57 86,42
asi= 0,5 44 54,81 64,35 78,5 89
Из рассмотрения табл. 2 видно, что для неискаженного сигнала предпочтительным является sei = 0,5, но с увеличением уровня ограничения выигрыш в КПД таких усилителей уменьшается: уже при а = -3 дБ усилитель с asj = 0,5 имеет более высокий КПД, чем с Ж] = 0,3, поэтому для амплитудно-ограниченных сигналов величина aei = 0,5 предпочтительна.
При воспроизведении в усилителе, имеющем ограниченный динамический диапазон, ограниченного по амплитуде речевого сигнала, не превышающего порог переключения канала (£max— ^i); КПД усилителя в режиме ВС при любой степени ограничения сигнала в 1 /sej выше, чем в режиме В. При незначительном превышении порога переключения наблюдается снижение КПД, которое тем больше, чем сильнее ограничен сигнал. Это связано со значительным недоиспользованием напряжения питания 2-го канала усилителя, которое наиболее сильно проявляется с возрастанием степени ограничения сигнала. Однако и здесь КПД усилителя режима ВС выше, чем в режима В. Даже в случае клип-пированного сигнала (а = -20 дБ) абсолютный выигрыш в КПД усилителя режима ВС с&\ = 0,5 по сравнению с режимом В составляет 8%.
Результата расчета максимального КПД усилителя режима ВС при воспроизведении музыкального сигнала (табл. 3), показывают, что он экономичнее усилителя режима В (табл. 1). Например, для sei = 0,3 при П- 3 выигрыш в КПД для неограниченного по амплитуде сигнала составляет 1,38 раза, при Я = 6 - 2,03 раза и так далее.
При амплитудах, непревышающих порог переключения каналов (£тах — ®0> как и в случае речевого сигнала, выигрыш в КПД по сравнению с
усилителем режима В составляет 1/®! раз. При Стах> выигрыш уменьшается, зависит от пик-фактора колебания и достигает приведенных выше значений. ____Таблица 3
а, дБ 0 -3 -6 -12 -20
л=з 55,94 65,6 73,98 86,05 94,26
»1 = 0,3 Л = 6 47,39 52,59 59,51 74,93 89
Птах,% П= 9 42 46,81 51,67 66,04 83,97
Л=3 61,29 71,51 79,17 89,13 95,57
«i = 0,5 Л-6 43,59 54,73 64,69 79,98 91,47
П-9 31,02 41,8 52,96 71,79 87,48
При усилении ограниченных по амплитуде музыкальных сигналов для малых значений пик-фактора КПД усилителя с £i= 0,5 имеет более высокие значения, чем в усилителях с Е| = 0,3 при любых величинах уровня ограничения сигнала. При больших значениях П для сигналов с малым уровнем ограничения или без него, как и при речевом сигнале, энергетическая эффективность усилителей cei = 0,5 ниже, чем с sei= 0,3, но уже при ограничении колебания до -3 дБ (П =6) и до -6 дБ (П =9) КПД усилителя с aej = 0,5 выше, чем с в, = 0,3.
Приведенные результаты показывают значительный энергетический выигрыш усилителя режима ВС по сравнению с режимом В при всех видах рассмотренных сигналов, причем квазиоптимальными в зависимости от вида колебания следует признать значения = 0,3 и 0,5.
Усилитель с 3 аналоговыми переключающимися каналами требует введения двух дополнительных каналов, т.е. он сложнее двухканального усилителя и целесообразность его применения во многом зависит от величины получаемого при этом энергетического выигрыша. При воспроизведении речевого сигнала КПД рассчитывается по (8), в которую достаточно подставить N=3.
Анализ КПД при речевом сигнале максимальной амплитуды (^max = 1) и различной степени ограничения сигнала выполнен для оптимальных значений sej и ®2; соответствующих максимальной величине КПД. В результате установлено, что оптимальные величины эг зависят от уровня ограничения сигнала, а выигрыш в КПД усилителя по сравнению с двухканальным уменьшается с увеличением степени ограничения сигнала (например, для неискаженного речевого сигнала он равен 1,27; для а = -6 дБ выигрыш уменьшается до 1,12). Следовательно, использование таких усилителей целесообразно лишь для усиления неискаженного сигнала или имеющего малую степень ограничения. В этом случае квазиоптимальными величинами следует считать x¡ - 0,2, и as2= 0,5.
При музыкальном сигнале анализ энергетической эффективности усилителя показал, что при уровнях переключения каналов aet = 0,2 и гг2 = 0,5 для неискаженного сигнала с амплитудами, меньшими эзь выигрыш в КПД по сравнению с двухканальным усилителем с aej = 0,5 составляет 2,5 раза, но выходная мощность при этом составляет лишь единицы процентов от максимальной и,
как правило, соизмерима с мощностью, потребляемой усилителем в режиме покоя. С увеличением амплитуды выигрыш уменьшается (например, при максимальной амплитуде и пик-факторе П- 3 он составляет лишь 1,11 раза, при П = 6 - 1,395 и лишь при П= 9 достигает 1,747). С увеличением степени ограничения сигнала получаемый выигрыш быстро уменьшается (так, для 17=9 и уровня ограничения -9 дБ он составляет всего лишь 10%, для Я = 6 это значение достигается при а = -6 дБ, для 77= 3 - уже при 0 дБ).
В результате проведенных исследований установлено, что оптимальными с точки зрения достижения компромисса между повышением КПД по сравнению с усилителем режима В и усложнением устройства являются усилители с двумя переключаемыми каналами. В них величину относительного напряжения питания 1-го канала целесообразно выбирать равной Х\ = 0,3 или 0,5, что обеспечивает близкий к максимальному выигрыш в КПД и схемотехнически реализуются наиболее просто. Причем asi = 0,3 предпочтительна в усилителях с регулируемым динамическим диапазоном (снабженных регуляторами громкости), а 2Б] = 0,5 - в звуковещательных установках и мегафонах. Увеличение числа переключаемых каналов целесообразно только при использовании усилителей в стационарной аппаратуре или когда к снижению энергопотребления и мощности рассеивания в активных элементах предъявляются повышенные требования.
Во второй главе исследуются усилители режима ВС с искусственными источниками питания каналов: разработана их математическая модель, предназначенная для энергетических исследований усилителей, проанализированы режимы работы при различных видах усиливаемых сигналов. Показана перспективность использования таких усилителей для усиления гармонических и радиовещательных сигналов. ,
Применение в переносной аппаратуре нескольких отдельных источников, используемых для питания каждого из каналов нежелательно. Это не только увеличивает число необходимых батарей питания, но и их неодинаковый разряд в процессе эксплуатации приводит к изменению соотношения напряжений питания каналов s¡, а значит, величины достигаемого выигрыша в КПД и к неодновременности замены батарей. Следовательно, актуальной становится задача разработки схемотехнических эквивалентов источников питания каналов.
Искусственно формировать источники питания можно для 1-го и для 2-го каналов усиления. Последние наиболее перспективны, так как кроме повышения экономичности позволяют увеличить максимально возможную амплитуду напряжения на 7?н, а значит и выходную мощность. В качестве энергоемких элементов обычно используются конденсаторы, которые могут заряжаться во время рабочего (использующего напряжение на этом конденсаторе для питания одного из каналов) и нерабочего полупериодов, а также в течение всего периода.
В диссертации исследованы особенности использования искусственных источников для питания как 1-го, так и 2-го каналов при усилении гармонического, речевого и музыкального сигналов, а также возможные режимы работы транзисторов, применяемых для заряда конденсаторов. С использованием баланса заряда и разряда накопительного конденсатора, применяемого в качестве
источника питания, предложены математические модели усилителей, предназначенные для исследования их энергетических характеристик.
При использовании накопительного конденсатора для питания плеч 2-го канала восстановление его заряда может происходить время работы либо другого плеча (1-го, 2-го или обоих каналов), либо весь нерабочий для канала отрезок периода. В результате исследования получена обобщенная формула расчета максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке усилителя, учитывающая интервалы заряда конденсатора и вид усиливаемого сигнала. Исследования, выполненные для гармонического, речевого и музыкального сигналов показали, что для обеспечения в таких усилителях пульсаций напряжения искусственного источника питания 2-го канала, меньших 1%, достаточно нормированную постоянную времени цепи заряда накопительного конденсатора выбрать тз/Т> 0,3. В этом случае при любых видах сигналов в усилителе достигается максимально возможная величина выходного напряжения, а значит, и максимальный КПД.
Исследован усилитель с искусственным источником питания 1-го канала. Получена формула расчета максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке при работе первого канала, учитывающая различные режимы заряда накопительного конденсатора и вид усиливаемого сигнала.
Исследования, выполненные для гармонического, речевого и музыкального сигналов, показали, что в усилителях с искусственным источником питания первого канала пульсации его напряжения, не превышающие 1%, будут достигаться при нормированной постоянной времени цепи заряда конденсатора т3/Г> 0,1. В этом случае величина соотношения напряжения питания каналов 321, а значит, получаемый выигрыш в КПД не будут зависеть от вида усиливаемого сигнала.
Рассмотрены особенности работы и инженерного расчета несимметрично-дроссельного усилителя. Найдены максимально достижимые амплитуды напряжения на нагрузке, проведено сравнение с усилителем, использующим для питания источник с фиксированным напряжением. В результате исследования установлено, что в них при реальных вещательных сигналах максимальные амплитуды выходных напряжений различаются лишь на единицы процентов.
Третья глава посвящена исследованию усилителей смешанного режима. Разработана их энергетическая математическая модель, проанализирован КПД при различных видах усиливаемых сигналов. Показана перспективность применения усилителей в звуковещательных установках.
Усилители смешанного режима состоят из двух чередующихся в работе на общую нагрузку усилительных каналов, один из которых работает в режиме АВ, а второй - в Б. В этом случае сочетаются положительные качества, присущие обоим режимам (например, динамический диапазон воспроизводимого сигнала теперь определяется режимом АВ, энергетическая эффективность усилителя после переключения — режимом Б, значительная часть сигнала воспроизводится без пульсаций тактовой частоты и т.д).
В диссертации предложена математическая модель усилителя, предназначенная для исследований его энергетических характеристик. Она позволяет
учитывать потери в ключевом и стробирующем (предотвращающем протекание тока в нерабочий полупериод через рекуперативный диод) транзисторах, возникающие за счет их сопротивлений насыщения, фронта и среза импульсов коллекторных токов, остаточных токов; в рекуперативном диоде - за счет его напряжения отсечки и дифференциального сопротивления, фронта и среза импульса рабочего тока и остаточного тока диода; а также за счет протекания в усилителе сквозных токов. Изучено влияние различных факторов на энергетическую эффективность усилителя, позволившее перейти к упрощенному (практическому)'варианту расчета КПД. Введена обобщенная формула КПД усилителя, позволяющая проводить его расчет при любом виде усиливаемого сигнала. Исследован КПД усилителя при гармоническом, речевом и музыкальном сигналах.
Предельный КПД усилителя может быть вычислен так: при амплитудах напряжения на нагрузке, меньших порога переключения (С - ?тахО, по (7) - (9) в зависимости от вида воспроизводимого сигнала, в которых N = 1, но эедг Ф 1;
при амплитудах напряжения на нагрузке, превышающих порог переключения (С > ?тахО:
гармонический сигнал
Л = 1/{ 1+4[аг,(1 - созЭ,/2)г; - Э^/я}; речевой сигнал
2 С,
щах
Ф(В) В
-В1! 2
музыкальный сигнал
Т1 = 77{7г + а'
е-42Па _е~/ш
Эдуа
■Дщ
шах
1-
24 П-Дк
1 + ал/2Я^! ^тах
аЛлг;тах1
Стах
3 А3 + ЗА _Л2/2 а2 где £ =-^-Ф(Л)--+
2-12"
122л/2ж
£
¡55 + 5В3+15В) -в2/2 И +5А3 +15А) -А2/2 , 15(Ф(А)-Ф(В))
= ------10 — А-. - — ----- ----J р -I----.
С =
Т -
123л/2л -вл/2Я
12 л/2я
2-12
1-е'
а2П2 + а-ЯП + )\ | а2(с-42Па с~ЛпЛ
Я=
^тах
-\-1Ша¥ I)2 +1]
•!2П2.
Исследования усилителей смешанного режима при воспроизведении различных видов колебаний и использовании в них идеальных и реальных транзисторов и диодов показали, что их КПД приближаются к значениям, соответствующим режиму D: его величина зависит от нормированного напряжения питания 1-го канала эг> (чем меньше эгь тем выше т|). Например, при усилении гармонического сигнала с £max = 1 КПД реального усилителя смешанного режима при ав]=0,5 составляет 91,5% при aei = 0,3 - достигает 93,1%, при ж, = 0,15
- превышает 93,4%.
Величина КПД зависит от вида усиливаемого колебания, его амплитуды и уровня ограничения. Проигрыш в КПД усилителя смешанного режима по сравнению с усилителем режима D и выигрыш его по сравнению с режимом В можно оценить по рис. 4, где аех = 0 соответствует усилителю режима D, a xt = 1
— усилителю режима В. Анализ приведенных данных показывает, что величину se¡ целесообразно ограничить аз] = 0,2. В этом случае проигрыш в КПД по сравнению с режимом D составляет при максимальной амплитуде 11%, а при ¡;max =0,3 -
48,5%. Однако при = 0,3
мощность речевого сигнала в нагрузке составляет лишь 11% от максимальной неискаженной и находится близко к нижней границе громкости реально прослушанной программы. Получаемый при этом выигрыш в КПД по сравнению с режимом В составляет 4,89 раза. Сравнение с режимом ВС показывает, что при неограниченом речевом сигнале использование смешанного режима эффективно только при aei < 0,5. В этом случае для ¿^ах = 1 выигрыш в КПД составляет: при asj = 0,1 - 2,67 раза; при sei =0,2 - 1,84 раза; при эз; = 0,3 -1,36 раза; при ss¡ = 0,4 - 1,27 раза; при asi > 0,5 преимуществ у усилителя смешанного режима перед усилителями режима ВС нет.
При введении ограничения сигнала КПД реальных усилителей смешанного режима и режима D сближаются, причем тем больше, чем больше степень ограничения колебания (например, при а = 0 дБ и = 0,1 разница в КПД составляет 1,66%, при а--3 дБ - уже 0,78%, при а = -6 дБ - только 0,38%, но при увеличении ге\ это различие становится больше и при se¡ = 0,2 для а = 0 дБ возрастает до 11%, при а = -3 дБ - становится 5,76%, при а = -6 дБ - составляет 3%). Для идеальных усилителей указанное расхождение возрастает, сохраняя те же тенденции.
Для анализа оптимальности выбора значения порога переключения каналов был оценен размер части вещательного сигнала, усиливаемого аналоговым каналом. В результате установлено, что при Ж] = 0,15 он составляет 82%, а при
Рис. 4. КПД усилителя смешанного режима при неограниченном речевом сигнале
= 0,2 уже 88% времени колебание воспроизводится аналоговым каналом, т.е. защищено от специфических искажений, присущих режиму D. Для ограниченного сигнала эти значения уменьшаются (например, для а = -6 дБ они соответственно равны: при asi = 0,15 - 65,8%, при se, = 0,2 - 72,7%).
Следовательно, для сочетания в усилителе высокого КПД со значительной защищенностью от специфических помех целесообразно величину asi выбирать не более as¡ = 0,2.
При сужении в усилителе динамического диапазона (0 < ^max< 1) и воспроизведении ограниченного речевого сигнала величина КПД зависит как от
уровня ограничения, sei, так и £тах. Например, при ^тах = 1 увеличение se¡ от 0,1 до 0,2 вызывает уменьшение КПД для неограниченного сигнала на 9,5%. При степени ограничения а = ~3 дБ это значение уменьшится до 5,02%. Если ограничение сигнала довести до а = -6 дБ, то приведенная величина составит
2,64%. Аналогичные вычисления, выполненные для Cmax= 0,3: показывают, что в этом случае возникающие изменения КПД будут другими. Так, увеличение ®i от 0,1 до 0,2 вызывает уменьшение КПД для неограниченного сигнала -на 38,76%, для а = -3 дБ на 30,43%, для а = -6 дБ - на 22,13%, при этом т] = 57%. Это связано как с увеличением влияния работы аналогового канала, так и
со снижением КПД усилителя режима D при уменьшении £тах-
Из приведенного анализа следует, что в усилителях смешанного режима при воспроизведении любых видов речевого сигнала величину относительного напряжения питания аналогового канала целесообразно выбирать в интервале ае} =0,1 - 0,2. Это позволяет получать высокий КПД усилителя, сохраняя значительную часть усиливаемого сигнала от преобразования в ШИМ-колебание.
Исследование энергетической эффективности усилителя смешанного режима при музыкальном сигнале показывает, что КПД усилителя в значительной степени зависит от пик-фактора сигнала П. Это обусловлено местом сосредоточения мгновенных значений сигнала: либо в области малых величин (где работает аналоговый канал), либо - больших, при работе усилителя режима D. В первом случае (при больших 77) увеличение продолжительности работы аналогового канала приводит к снижению КПД усилителя, во втором - это влияние ослаблено. Увеличение относительной мощности потерь на элементах ключевого канала при уменьшении амплитуды колебания (или Стах) Для сигналов с различным П приводит к неодинаковому изменению КПД усилителя (табл. 4, расчеты выполнены при sei - 0,15).
Таблица 4
17 3 6 9
а= ОдБ £max= 1 88,69 81,04 71,74
11,% £тах= 0,3 64,84 43,53 30,27
йг = -ЗдБ £тах= 1 ' 90,39 85,69 79,63
Стах=0,3 73,65 56,12 41,5
Из табл. 4 видно, что с увеличением степени ограничения расхождение
между значениями КПД, соответствующими разным £тах, уменьшается. Это объясняется смещением основной концентрации сигнала в область больших мгновенных значений, где работает усилитель режима Б.
Анализ длительности работы аналогового канала показал, что как и в случае речевого сигнала большая часть музыкального сигнала воспроизводится без специфических особенностей режима Б. Например, для неограниченного сигнала с П = 9 при £тах = 1 в усилителе с ав] = 0,2 аналоговым каналом формируется 92,16% относительной длительности сигнала, при ®1 = 0,15 - 85,18%, а при ае] = 0,1 еще 72% усиливаемого сигнала.
Сравнение полученных данных о КПД усилителей смешанного режима с усилителями режима В показывает, что при »1=0,3 усилитель смешанного режима в 3 раза экономичнее усилителя режима В. Однако такая же эффективность достигается практически при всех амплитудах и в двухканальных усилителях с аналоговым режимом работы обоих каналов и тем же значением агь лишь при ^^ = 1 она уменьшается на 15%. При этом двухканальные усилители не имеют специфических недостатков режима Б, их схемотехника довольно хорошо изучена, поэтому с энергетической точки зрения целесообразности построения усилителей смешанного режима с ае! > 0,3 нет.
Таким образом, анализ КПД показал, что при всех рассмотренных видах усиливаемого сигнала квазиоптимальные значения относительного напряжения питания первого канала усилителя смешанного режима заключены в интервале ав] = 0,1 - 0,2. В этом случае в нем сочетается повышенное значение КПД с защищенностью подавляющей части усиливаемого сигнала от специфических особенностей, присущих режиму Б.
Исследованы мощности потерь на элементах ключевого канала усиления, получены формулы, позволяющие рассчитывать их максимальные величины. Даны рекомендации по выбору соответствующих компонентов.
В усилителях смешанного режима для получения оптимальных соотношений между энергетическим выигрышем и качественными показателями необходимо напряжение питания аналогового канала (Е\) выбирать близким к среднему уровню усиливаемого колебания. Для разных видов сигналов он различен, поэтому обеспечить оптимальной фиксированную величину Е\ трудно. В результате происходит не только недоиспользование напряжения питания первого канала, а значит, уменьшение КПД усилителя, но и существенно изменяется длительность усиливаемого сигнала, защищенная от специфических особенностей, присущих режиму Б. Для устранения этого было предложено источник питания аналогового канала сделать регулируемым и изменять его напряжение прямо пропорционально максимально возможной амплитуде и обратно пропорционально пик-фактору колебания. При реализации такого источника целесообразно использовать тот же усилитель режима Б, что и для формирования выходного колебания, применив его для заряда накопительного конденсатора Сп, питающего аналоговый канал.
При усилении сигналов с большим пик-фактором, у которых мгновенные значения, превышающие порог переключения (чередования работь*) каналов, встречаются редко, длительность работы ключевого канала уменьшается. Это уменьшает ток подзаряда, а значит напряжение на Сп, и понижает порог переключения каналов. То же происходит при уменьшении амплитуды усиливаемого сигнала, например, вследствие изменения положения ручки регулятора громкости. Таким образом, напряжение питания 1-го канала определяется как пик-фактором колебания, так и его максимально возможной амплитудой.
В рассмотренном схемотехническом варианте реализации усилителя заряд Сп происходит через отдельный накопительный дроссель L3, с использованием всех остальных элементов ключевого канала, поэтому ток через них в
1 + к= 1 + h^mmax раз больше, чем в усилителях с фиксированным питанием (/з - ток заряда, протекающий за период тактовой частоты), а значит, выделяющиеся в элементах мощности потерь тоже увеличены. Особенностью усилителя является постоянство поддержания в нем динамического баланса работы каналов, при котором энергия, потребляемая первым из них, восстанавливается за время работы второго. Величина формируемого при этом напряжения питания в значительной степени зависит от соотношения индуктивностей дросселей нагрузки и заряда LH/L3. С уменьшением отношения Ьц/Ь^ напряжение питания первого канала уменьшается, длительность работы ключевого канала увеличивается, и КПД усилителя возрастает.
Как показали исследования, КПД усилителя для ¿н/£з = 1 при гармоническом сигнале составляет 85,7%, а для LyJL-^ = 0,2 — достигает 90,8%. С уменьшением амплитуды напряжения на 7?н величина т] уменьшается, причем тем быстрее, чем больше относительная длительность работы ключевого канала, т.е. в большей степени сказывается влияние действующих в нем потерь. Таким образом, усилители с адаптивным источником питания целесообразно применять в устройствах, динамический диапазон которых используется полностью (например, в трансляционных усилителях, звуковещательных установках и мегафонах).
Исследования работы усилителя при воспроизведении реального речевого сигнала показали, что при неограниченном сигнале (а = 0 дБ) в усилителе с использованием типовых транзисторов и диодов при Ьц!Ь3 = 1 при t^max - 1 величина максимальной амплитуды, достигаемой в первом канале, ^maxi = 0,167. В этом случае 84,3% сигнала усиливается аналоговым усилителем, т.е. без специфических искажений. С увеличением степени ограничения сигнала длительность работа ключевого канала возрастает, но одновременно увеличиваются sei и ¿Smaxi- Эт° приводит к компенсации уменьшения относительной длительности работы первого канала. Так, например, при изменении 0 < а < -7 дБ (типовое значение а), относительная длительность сигнала, не подвергшегося ШИМ преобразованию, уменьшилась до 78,8% (для усилителя с фиксированным напряжением питания, имеющем одинаковое с первоначальным значение Ei, она уменьшается до 66,7%). При таком изменении а среднеэксплуатационный КПД усилителя возрастает примерно в 1,126 раза и составляет 73%. Следовательно, в
усилителях с адаптивным питанием происходит поддержание постоянства части сигнала, воспроизводимой аналоговым каналом, что обеспечивает выигрыш в качестве звучания и уменьшает уровень ВЧ помех, характерных для усилителя режима Б.
Исследования, выполненные для реальных музыкальных сигналов, показывали, что и в этом случае относительная длительность работы аналогового канала регулируется, стремясь оставаться неизменной. Так, в реальных усилителях при ¿н/1з= 1) ?тах = 1 и изменении уровня ограничения с а = 0 дБ (неограниченный сигнал) до а = -7 дБ относительная длительность сигнала, усиливаемого аналоговым каналом, для 77=3 сократилась с 71,3 до 60,6%, а для П- 9 с 78 до 74,9% (лишь на 3,99%). Величина КПД усилителя составила: для 77= 3 при неискаженном сигнале 72,99%, при а = -7 дБ - 79,34%; для 77=9 соответственно 58,57 и 68,98%. С уменьшением отношения Ц\1Ьг рассмотренные тенденции сохраняются. При этом абсолютная величина длительности работы аналогового канала уменьшается, а КПД растет (например, для ¿н/7-з = 0,2 при Я = 3 он изменяется с 85,28 до 87,78%).
Исследованы максимальные мощности потерь, рассеиваемые в основных элементах усилителя смешанного режима с адаптивным источником питания. Приведены расчетные формулы, позволяющие выбирать оптимальными типы ключевых транзисторов, рекуперативных диодов и теплоотводящие радиаторы к ним.
Таким образом, выполненные исследования показали, что усилители смешанного режима сохраняют высокий КПД, потенциальные значения которого приближаются к величинам, характерным для режима Б, но недостатки последнего в них существенно ослаблены. В усилителях с фиксированным напряжением питания первого канала относительный уровень переключения каналов при любых видах сигналов (гармонических и вещательных) целесообразно выбирать в интервале ае| = 0,1 - 0,2.
Одним из наиболее перспективных является усилитель с адаптивным источником питания первого канала, позволяющий для любых сигналов автоматически оптимизировать сочетание высоких энергетических и качественных показателей. Их целесообразно применять в качестве трансляционных, а также в звуковещательных установках и мегафонах.
В четвертой главе рассмотрены вопросы обеспечения в усилителях режима ВС заданных технических характеристик. Показано, что высокие качественные показатели могут быть получены в аналого-дискретных усилителях при тех^Ке требованиях к частотной характеристике и нелинейным искажениям каналов, что и в усилителях режима В.
Вопросы обеспечения технических характеристик усилителя являются актуальными и очень часто становятся альтернативными их энергетической эффективности. В усилителях режима ВС сигнал разделяется на две составляющие, усиление каждой из которых происходит своим каналом, а исходное колебание восстанавливается в нагрузке. При ограничении полосы пропускания усилителя эти составляющие искажаются, увеличивая длительность работы каналов и снижая КПД устройства. Исследованы требования, которым должна
удовлетворять частотная характеристика усилителя для обеспечения в нем повышенного КПД. Установлено, что при ограничении полосы пропускания усилителя только первой гармоникой сигнала относительное уменьшение КПД по сравнению с идеальным усилителем, обеспечивающим неискаженную передачу всех компонент сигнала, составляет примерно 7%, при расширении полосы до пятой гармоники - проигрыш в КПД уменьшается до десятых долей процента. Учитывая, что основная энергия спектра речевого сигнала сосредоточена на частотах не превышающих 2 кГц сделан вывод, что усилители режима ВС обеспечивают близкий к максимальному выигрыш в КПД при тех же требованиях к частотным характеристикам, что и для режима В (АВ). Это выгодно отличает их от усилителей режима Б, в которых для обеспечения высокого КПД выходной каскад усилителя должен быть способен работать при частотах как минимум на порядок более высоких, чем верхняя граница звукового диапазона.
Следующим важным параметром усилителей является величина возникающих в нем нелинейных искажений сигнала. Проанализированы причины дополнительных искажений и пути их снижения. Получены формулы, позволяющие оценивать коэффициент гармоник (Кг) усилителя режима ВС с учетом особенностей его работы. В результате исследования установлено, что в наихудшем с точки зрения нелинейных искажений режиме работы усилителя коэффициент гармоник соизмерим с коэффициентом гармоник усилителя режима В, неохваченного отрицательной обратной связью. В усилителе оба канала работают в аналоговом режиме, поэтому введение в нем отрицательной обратной связи с типовыми значениями ее глубины позволяет достигать требуемые значения Кг.
Субъективная оценка качества звучания разработанного усилителя, выполненная методом парных сравнений, показала, что испытуемое устройство и эталон звучат одинаково (ОСТ 4.202.003 - 84).
В пятой главе приведены разработанные варианты предложенных схемотехнических реализаций энергетически высокоэффективных усилителей и методика расчета усилителей. Все усилители прошли экспериментальную проверку и подтвердили, что в условиях радиовещательных сигналов выигрыш в их КПД по сравнению с усилителями режима В достигает и превышает двойной. Разработанные устройства позволяют улучшить работу не только оконечных каскадов, но и повысить эффективность цепей их управления, что приводит к наиболее полному и всестороннему использованию всех присущих данным усилителям достоинств.
Наиболее перспективными из предложенных вариантов построения экономичных усилителей являются те, в которых при неизменном напряжении питания и нагрузке можно в бестрансформаторных усилителях получать мощность в 4, либо 9 раз большую, чем в полумостовых вариантах. При этом в них сохраняется свойственный аналого-дискретным усилителям выигрыш в КПД. К первым из них относятся квазимостовые усилители, ко вторым — усилители, построенные на основе предложенного способа реализации а2] = 1/3. Приведенные технические решения позволяют создавать бестрансформаторные усилите-
ли значительной мощности с использованием низковольтных источников питания и имеющегося ассортимента выпускаемых громкоговорителей.
Предложен способ повышения энергетической эффективности усилителей звуковой частоты, позволяющий обеспечить повышение их экономичности в устройствах с регулировкой уровня громкости.
Еще одной областью применения аналого-дискретных усилителей является использование их в источниках бесперебойного питания. В этом случае обеспечивается высокий КПД и требуемый коэффициент нелинейных искажений сформированного колебания.
В заключении констатируется, что основным результатом работы является обобщение и развитие теории, методов анализа и синтеза аналого-дискретных усилителей, разработка принципов и новых методов их построения, исследование усилителей, позволившее получить в них наибольший выигрыш в КПД.
Наиболее значимые научные и практические результаты работы
1. Разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей, позволяющая находить предельные значения КПД и мощности потерь в элементах усилителей, использующих различные принципы и методы построения, при усилении как детерминированных колебаний, так и заданных вероятностными моделями.
2. На основе анализа статистических свойств реальных речевого и музыкального сигналов уточнены и обобщены их математические модели, предназначенные для исследования энергетических характеристик усилителей. Такие модели учитывают не только разный уровень подаваемых на вход усилителя мощности сигналов, но и различную степень амплитудного ограничения, возникающего при их прохождении по реальным каналам связи.
3. На основе разработанных математических моделей усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов выполнено исследование их КПД при различных видах, уровнях сигналов, степени амплитудного ограничения; определены оптимальное число каналов усиления и величины их относительных напряжений питания. Показано, что для всех видов исследованных сигналов оптимальными являются двухканальные усилители, в которых относительное напряжение питания 1-го канала а21 = 0,3 или 0,5, обеспечивающие близкий к максимальному выигрыш в КПД и отличающиеся наибольшей простотой в реализации. Первые предпочтительны при использовании в устройствах высококачественного усиления, где, как правило, воспроизводимый сигнал не ц(раничен по амплитуде, вторые - в звукоусилительных установках и мегафонах.
4. На основе обобщенной модели аналого-дискретных усилителей с учетом специфики построения устройств разработаны математические модели усилителей:
- двухканальных с искусственными источниками питания каналов;
- смешанного режима с фиксированным напряжением питания 1-го канала;
- смешанного режима с адаптивным напряжением питания 1-го канала.
Исследованы максимально достижимая амплитуда напряжения на нагрузке, КПД усилителя, мощности потерь в его элементах при гармоническом,
речевом и музыкальном сигналах. Проанализированы изменения этих характеристик, происходящие при изменении уровня сигнала, степени амплитудного ограничения и пик-фактора колебания. Изучено влияние на энергетические характеристики усилителей режимов работы активных элементов, относительного напряжения питания 1-го канала, а также параметров применяемых компонентов:
4.1. Для обеспечения в двухканальных усилителях с искусственными источниками питания напряжения пульсаций этих источников, меньших 1%, необходимо нормированную постоянную времени цепи заряда накопительного конденсатора питания х^/Т выбрать для искусственных источников первого канала - т3/Г> 0,1, а для искусственных источников 2-го канала - т3/Т> 0,3;
4.2. В усилителях смешанного режима с фиксированным напряжением питания первого канала квазиоптимальные значения относительного напряжения питания первого канала находятся в интервале аз] = 0,1 - 0,2. Это позволяет сочетать повышенные значения КПД усилителя с защищенностью подавляющей части усиливаемого сигнала от специфических искажений, присущих режиму D (например, в усилителе с s¡ = 0,15 при усилении неограниченного по амплитуде речевого сигнала 82% времени колебание воспроизводится аналоговым каналом, при этом КПД усилителя равен 80,6%);
4.3. Усилители смешанного режима с адаптивным напряжением питания 1-го канала при увеличении степени ограничения сигнала обеспечивают большую защищенность сигнала от преобразования в ШИМ-колебание, чем усилители с фиксированным питанием (например, при использовании в усилителе типовых элементов и соотношении индуктивностей цепи нагрузки и заряда Lh/L3 = 1 с увеличением степени ограничения сигнала 0 < а < -7 дБ относительная длительность сигнала, не подвергшегося преобразованию уменьшилась с 84,3 до 78,8%). В усилителях с фиксированным напряжением питания, имеющем то же первоначальное значение Ej, она уменьшается с 84,3 до 66,7%.
5. Исследованы причины ухудшения и методы обеспечения требуемых качественных показателей аналого-дискретных усилителей. Показано, что они обеспечивают близкий к максимальному выигрыш в КПД при тех же требованиях к частотным характеристикам, что и для усилителей режима В (АВ). Проанализированы причины возникновения дополнительных нелинейных искажений и методы их снижения. Получены выражения, разработана методика расчета коэффициента гармоник в таких усилителях.
6. Предложен метод повышения КПД усилителя, использующий синхронное изменение коэффициента передачи и напряжения питания усилителя. В этом случае при уменьшении громкости реально прослушиваемой программы одновременно и пропорционально уменьшается напряжение питания усилителя. Получаемый выигрыш в КПД по сравнению с усилителем режима В обратно пропорционален уменьшению громкости звучания.
7. Приведена методика инженерного расчета усилителей, рассмотрены особенности их проектирования.
8. Предложено более 30 технических решений, позволяющих всесторонне использовать достоинства аналого-дискретных усилителей (20 из них признаны
изобретениями, на которые выданы авторские свидетельства СССР или патенты РФ и одно подтверждено Свидетельством РФ на полезную модель).
Из приведенных в диссертации различных типов аналого-дискретных усилителей 12 доведены до практической реализации, испытаны экспериментально, подтвердили свою высокую экономичность (их КПД в условиях реальных радиовещательных сигналов в 2 раза выше по сравнению с усилителями режима В).
Таким образом, выполненные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования позволили изучить свойства, энергетические характеристики и область целесообразного применения аналого-дискретных усилителей, построенных с использованием различных принципов и методов. Это не только устранило пробел в их теории, но и позволило сделать ряд выводов, оптимизирующих работу усилителей и позволяющих достигать в них в условиях вещательных сигналов высокого КПД.
Результаты выполненных исследований показали перспективность использования аналого-дискретных усилителей в технике звукоусиления, что позволяет рекомендовать разработанные в диссертации технические решения для внедрения в промышленное производство.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в следующих статьях, докладах, защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ:
1. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Бестрансформаторный усилитель звуковой частоты с повышенным КПД // Повышение помехоустойчивости и эффективности радиоэлектронных систем и устройств / ГГУ. Горький, 1976. Вып. 1. С. 64 - 66.
2. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилитель с повышенным КПД для сигналов с большим пик-фактором //Изв.вузов СССР. Радиоэлектроника. 1979. Т.22. №8. С. 55-59.
3. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичный усилитель для элекгромегафо-на // Повышение помехоустойчивости и эффективности радиоэлектронных систем и устройств / ГПИ. Горький, 1981. Вып. 4. С. 69 - 71.
4. A.c. 907767 СССР. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, JI.JI. Шемет // Б.И. 1982. №7.
\5. A.c. 1083339 СССР. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1984. № 12.
6. A.c. 1133650 СССР. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 1.
7. A.c. 1156238 СССР. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин //Б.И. 1985. № 18.
8. A.c. 1167696 СССР. Двухтактный усилитель мощности (его варианты) / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 26.
9. A.c. 1167697 СССР. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин //Б.И. 1985. №26.
10. A.c. 1171976 СССР. Усилитель мощности однополярного сигнала / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 29.
11. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД усилителя, работающего в смешанном режиме, при синусоидальной форме колебаний // Радиотехника. 1984. № 12. С. 74-78.
12. A.c. 1198740 СССР. Двухтактный бестрансформаторный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 46.
13. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилитель с повышенным КПД и бестрансформаторным выходом // Радиотехника. 1985. № 2. С.89-91.
14. A.c. 1249692 СССР. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин // Б.И. 1986.
№29.
15. A.c. 1256141 СССР. Усилитель мощности и его варианты / Н.Б. Догадин //Б.И. 1986. №33.
16. Догадин Н.Б. Максимальные мощности потерь в усилителе, работающем в смешанном режиме // Методы и устройства первичной обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1985. С. 117 - 122.
17. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилитель с повышенным КПД без намоточных узлов //Радиотехника. 1986. № 2. С. 85 - 87.
18. Догадин НБ., Ногин В.Н. Экономичные усилители для радиоприемников // НТС ЦП НТО РЭС им. A.C. Попова «Усилительные устройства»: М., 1986.
19. Догадин Н.Б. Максимальный КПД усилителя класса В при речевом сигнале // Элементы приемно-усилительных устройств / ТРТИ. Таганрог, 1986. Вып. 3. С. 129-131.
20. A.c. 1336196 СССР. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1987. №33.
21. A.c. 1337997 СССР Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1987. №34.
22. A.c. 1337998 СССР. Двухтактный бестрансформаторный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1987. № 34.
23. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усовершенствованная схема вольтодобавки для предоконечного каскада усилителя // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1987. С. 90 - 95.
24. Догадин Н.Е. КПД усилителей с аналого-дискретным управлением мощностью потерь на активных элементах при усилении ограниченного речевого сигнала // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1987. С. 96 - 100.
25. Догадин Н.Б. КПД усилителя смешанного режима при речевом сигнале//Электромагнитная совместимость / ГГУ. Горький, 1987. С. 52 - 57.
26. A.c. 1352616 СССР. Двухтактный усилитель мощности/Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1987. № 42.
27. A.c. 1374401 СССР. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1988. 6.
28. A.c. 1394405 СССР. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин//Б.И. 1988. № 17.
29. A.c. 1408521 СССР. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадан, В.Н. Ногин // Б.И. 1988. №25.
30. A.c. 1411920 СССР. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1988. №27.
31. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичные усилители для радиоприемников // Радиотехника. 1988. № 3. С. 31 - 33.
32. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Исследование КПД усилителя смешанного режима с адаптивным промежуточным напряжением питания // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький,
1988. С. 118-122.
33. Догадин Н.Б. Разработка и исследование энергетической эффективности усилителей звуковой частоты с аналого-дискретным управлением мощностью потерь в активных элементах: Автореф. дис.... канд. техн. наук./ МИС. М.,
1989.
34. Патент 1474826 РФ. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин // Б.И. 1989. № 15.
35. A.c. 1732424 СССР. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1992. № 17.
36. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД простейших усилителей класса ВС при трех способах управления переключением источников питания // Электронное оборудование промышленных установок / ГПИ. Н. Новгород, 1990.
37. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Анализ максимальных мощностей потерь в усилителе смешанного режима с адаптивным промежуточным напряжением питания // Электрооборудование промышленных установок / НПИ. Н. Новгород, 1991. С. 80 - 83.
38. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичный усилитель звуковых частот для установок массового обслуживания населения // Совершенствование техники, технологии и повышение эффективности предприятий службы быта / ШТИБО. Шахты, 1993. Вып. 2. С. 39 - 42.
39. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Квазимостовой усилитель мощности // Электрооборудование промышленных установок / НГТУ. Н. Новгород, 1994. С. 76 - 79.
40. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Стоваттный экономичный усилитель для передвижной громкоговорящей установки // Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства / НГТУ. Н. Новгород, 1995. С. 58 - 60.
•у 41. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД экономичного бестрансформаторного усилителя с повышенной амплитудой выходного напряжения на речевом сигнале // МК НТОРЭС им. A.C. Попова «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники»: мат-лы. М., 1995. С. 225.
42. Dogadin N.B., Nogin V.N. Small Size Audiofrequency Power Amplifiers // Presend at the 98th Convertion. Feb. 25 - 28. Paris, 1995.
43. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД усилителей со ступенчатым управлением // Радиотехника 1996. № 3. С. 13 - 14.
44. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Влияние полосы пропускания в усилителе
режима ВС на его КПД // Радиотехника. 1996. № 2. С. 20 - 21.
45. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Предельный КПД усилителей с аналого-дискретным управлением мощностью потерь в активных элементах // Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства / НГТУ. Н. Новгород, 1997. С. 125 - 127.
46. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н. Новые научные технологические и схемотехнические решения в современной энергетической электронике для устройств связи // П Всероссийская НТК «Состояние и перспективы развития энергетики связи»: сб. тр. СПб, 2001. С. 33 - 40.
47. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Исследование КПД усилителя режима ВС с накопительными конденсаторами и удвоением напряжения питания // Радиотехника. 2001. № 11. С. 49 - 51.
48. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичный усилитель звуковых частот с регулируемым источником питания // IV Всероссийской НТК «Методы и средства измерений»: мат-лы. Н. Новгород, 2002. Ч. 2. С. 9.
49. Dogadin N.B., Dmitrikov V.F. Uninterruptible Power Supplies of Small Power with the Improved Shape of Output Voltage // 1-st IEEE International Conference On Circuit and Systems for Communication: мат-лы. СПб, 2002. C.110-113.
50. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Усилители режима ВС с искусственным источником питания первого канала при гармоническом сигнале // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС/ СПбГТУ РП. СПб, 2002. С. 243 - 249.
51. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф., Ногин В.Н. КПД бестрансформаторных высокоэффективных усилителей мощности с амплитудой выходного напряжения, превышающей напряжение источника питания // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2002. № 168. С. 122 - 127.
52. Догадин Н.Б. Энергетическая эффективность усилителей режима В при воспроизведении музыкальных вещательных сигналов // Труды вузов России. Радиоэлектроника. 2002. № 2. С. 29 - 34.
53. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Усилители режима ВС с искусственным источником питания первого канала при речевом сигнале // Труды вузов России. Радиоэлектроника. 2002. № 2. С. 22 - 29.
54. Догадин Н.Б. Энергетическая эффективность линейно-ключевого усилителя при стохастическом воздействии // Известия вузов. Приборостроение. 2003. №3. С. 44-49.
55. Догадин Н.Б. Аналого-дискретные усилители. Волгоград: Перемена,
2003.
56. А.с. на полезную модель № 29190 РФ Источник бесперебойного питания / Н.Б.- Догадин, В.Ф. Дмитриков, И.Н. Самылин // Полезные модели. Промышленные образцы. 2003. № 12.
Подписано к печати 16.05.2003. Объем 2 печ.л. Тираж 100 экз. Зак.
Тип. СПбГУТ, 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61
* É. # I
Q_oc>3-(\
TT727
i i
i
i
i
i
i i i
i
Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Догадин, Николай Борисович
ВВЕДЕНИЕ.
Глава 1. КПД АНАЛОГО-ДИСКРЕТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.
1.1. Современное состояние применения энергетически высокоэффективных усилителей звуковых частот.
1.2. Энергетическая обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей.
1.3. Математические модели используемых испытательных сигналов.
1.3.1. Обобщенные виды сигналов.
1.3.2. Гармонический и речевой сигналы.
1.3.3. Музыкальный сигнал.
1.4. КПД усилителей с произвольным числом каналов.
1.5. Исследование КПД одно, двух и трехканальных усилителей при речевых и музыкальных сигналах.
Выводы.
Глава 2. УСИЛИТЕЛИ С АНАЛОГОВЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ И
ИСКУССТВЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ КАНАЛОВ.
2.1.Особенности режимов работы коммутирующих элементов.
2.2. Усилители с искусственным источником питания второго канала.
2.3. Усилители с искусственным источником питания первого канала.
2.4. Несимметрично-дроссельный усилитель.
Выводы.
О Глава 3. УСИЛИТЕЛИ СМЕШАННОГО РЕЖИМА.
3.1. Анализ мощностей потерь в транзисторах и диодах усилителей смешанного режима.
3.2. Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при гармонической форме колебания.
3.3. Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при речевом сигнале.
3.4. Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при музыкальном сигнале.
3.5. Максимально возможные мощности потерь на элементах усилителя и их учет при практическом проектировании устройств.
3.6. Усилитель смешанного режима с адаптивным источником питания.
3.6.1. КПД усилителя смешанного режима с адаптивным источником питания.
3.6.2. Максимальные мощности потерь, рассеиваемые в основных элементах усилителя.
Выводы.
0 Глава 4. КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСИЛИТЕЛЕЙ.
4.1. Частотная характеристика усилителя.
4.2. Нелинейные искажения в усилителях.
4.3 Субъективная (экспертная) оценка качества разработанного усилителя режимаВС.
Выводы.
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ И ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.
5.1. Способы построения энергетически эффективных оконечных и предварительных каскадов.
5.1.1. Автотрансформаторный полумостовой усилитель.
5.1.2 Бестрансформаторные усилители режима ВС.
5.1.3 Способы повышения коэффициента использования напряжения питания.
5.1.4. Устройство управления параллельными каналами с постоянным входным сопротивлением.
5.1.5. Усилители мощности с регулируемым питанием.
5.2. Методика расчета усилителей.
5.3. Практическая реализация аналого-дискретных усилителей.
5.3.1 Трансформаторные усилители мощности.
5.3.2. Несимметрично-дроссельный усилитель.
5.3.3. Бестрансформаторные усилители.
5.3.4. Аналого-дискретный усилитель для источника бесперебойного питания.
Выводы.
Введение 2003 год, диссертация по радиотехнике и связи, Догадин, Николай Борисович
Актуальность темы исследования. Диссертация «Разработка теории и принципов построения аналого-дискретных усилителей» посвящена вопросам теории и практической реализации устройств, энергетическая эффективность которых для сигналов с большим пик-фактором (например, вещательных) значительно (вдвое и более) выше, чем в аналогичных моделях, выпускаемых в настоящее время промышленностью в условиях массового производства.
Вопросы повышения энергетической эффективности радиоэлектронных устройств постоянно являются предметом интенсивных исследований специалистов. В радиовещательной аппаратуре наибольшее энергопотребление происходит, как правило, в усилителях звуковой частоты (УЗЧ), причем, как показывают исследования, в условиях реальных сигналов КПД наиболее широко распространенных усилителей режима В не превышает 24%. В этом случае только 24% мощности, потребляемой от источника питания, идет на формирование полезного сигнала, а подавляющая ее часть (76%) создает бесполезные потери в активных элементах усилителей, разогревая их и ухудшая условия эксплуатации. Усилители звуковой частоты являются одним из наиболее часто встречающихся устройств в радиоэлектронной аппаратуре. Они используются в радиовещательной и связной аппаратуре, в качестве модуляторов радиопередатчиков, в устройствах автоматики, источниках питания и так далее. В переносных устройствах именно ими, как правило, определяется срок работы батарей питания и массогабаритные показатели аппаратуры. Поэтому вопросы снижения мощности потерь в активных элементах УЗЧ и повышения их КПД являются весьма актуальными.
Характерной особенностью исследованных усилителей является значительное снижение мощности потерь в их активных элементах. Это имеет два важных следствия, каждое из которых даже в отдельности обусловливает необходимость проведения исследований в этой области. Во-первых, оно приводит к снижению нагрева активных элементов. Благодаря этому удается 4 значительно уменьшить или полностью исключить радиаторы, что позволяет не только улучшить массогабаритные показатели аппаратуры, ее тепловой режим, но и существенно экономить как металл, так и затрачиваемые на его обработку материальные и трудовые ресурсы. ,q Во-вторых, уменьшение мощности потерь приводит к повышению КПД устройства, что создает возможность экономии электроэнергии (как сырья) и снижает затраты на эксплуатацию оборудования. Отсюда видно, что решение этой проблемы имеет важное не только техническое, но и хозяйственное значение, позволяет экономить сырьевые, материальные, топливно-энергетические ресурсы. Причем по некоторым параметрам (например, энергопотреблению) получаемый выигрыш не только достигает, но и превышает двойной.
Такие усилители наиболее эффективно могут быть применены при разработке устройств с ограниченными массогабаритными показателями, предназначенных, например, для использования в условиях, когда о усилительная установка переносится оператором или находится на автономном движущемся объекте (корабле, самолете, лодке, спутнике) в качестве устройства аварийного оповещения, как модулятор радиопередатчика и т.д. Кроме того, их использование имеет принципиальное значение при микроминиатюризации аппаратуры, так как позволяет разрабатывать и производить аналоговые радиотехнические устройства значительной мощности в интегральном исполнении.
В технике звуковоспроизведения в настоящее время известны несколько способов повышения энергетической эффективности аналоговых усилителей. Наиболее распространенные из них в своем составе используют усилители режима D. В его исследовании и развитии большой вклад внесли крупные советские ученые Д.В. Агеев, В.В. Маланов, А.Д. Артым, В.Ф. Дмитриков, М.А. Сивере, А.А. Алексанян, К.К. Никитин, Э.В. Сырников и многие другие. Такие усилители, обладая высоким КПД (в идеальном случае стремящимся к единице), имеют ряд особенностей, которые затрудняют, а иногда делают 5 невозможным их использование в радиоэлектронной аппаратуре, предназначенной для воспроизведения широкополосных сигналов произвольной формы с большим динамическим диапазоном. Именно к ним относятся сигналы, используемые в радиовещании и телевидении. Характерное для усилителя режима D преобразование входного аналогового сигнала в модулированную по длительности последовательность импульсов (ШИМ), усиление ее с высоким КПД и восстановление в нагрузке исходного сигнала сопровождаются рядом недостатков. Рассмотрим последовательно эти этапы и особенности их работы.
При преобразовании аналогового сигнала длительность формируемого импульса ШИМ устанавливается пропорционально мгновенному значению колебания в момент выборки, и после ее окончания, вплоть до следующей, (т.е. в течение паузы ШИМ) любые изменения входного сигнала оказываются потерянными. Это не играет решающей роли при формировании или усилении периодических сигналов и колебаний известной формы, но может иметь неприятные последствия в случае обработки одиночных или высокоточных сигналов произвольной формы, например, существующих в медицине (кардиограмма и др.), измерительной технике (осциллографы и т.д.), в высококачественном звукоусилении и других приложениях. Спектр формируемой последовательности широкополосен. Возникающие при этом гармонические и комбинационные составляющие могут попасть в рабочий диапазон частот аппаратуры, расположенной поблизости, и создавать помехи ее работе. Как показывает опыт, требуемая для ослабления этого экранировка усилителей не всегда эффективна и увеличивает габариты и вес аппаратуры.
В формируемой последовательности минимальная длительность импульса конечна, что устанавливает как порог зоны чувствительности преобразователя, так и его динамический диапазон. Для компенсации этого тактовую частоту ШИМ желательно понижать. Однако в этом случае при диапазонной работе усилителя ухудшается ее фильтрация, возникает экстраполяционная неточность восстановления сигнала. Кроме того, из-за 6 соизмеримости тактовой и рабочих частот в усилителе создается возможность возникновения эффекта «дробления импульса», когда в тактовый период формируется более одного импульса. Это затрудняет формирование в нагрузке колебания, полностью повторяющее входное. Указанные особенности приводят к увеличению искажений восстановленного сигнала и заставляют выбирать тактовую частоту в десятки раз большей верхней граничной частоты диапазона усиливаемых колебаний. А ее увеличение, в свою очередь, может приводить к расширению спектра излучаемых помех и смещению его в область диапазона радиочастот. Наличие порога чувствительности преобразователя затрудняет использование режима D для неискаженного воспроизведения сигналов большого динамического диапазона, в устройствах с оперативной регулировкой уровня выходного колебания (например, снабженных регулятором громкости), при селекции слабых сигналов и т.д.
Для уменьшения указанных недостатков были предложены некоторые разновидности ШИМ (адаптивная, смешанная), а также использование нескольких каналов ШИМ, работающих при разных амплитудах входного сигнала. Однако, не устраняя полностью указанных выше недостатков, такие решения из-за непостоянства в них тактовой частоты приводят к обогащению спектра результирующего колебания.
При усилении сформированной импульсной последовательности активный элемент усилительного каскада (транзистор, тиристор или другой) работает в ключевом режиме, что предполагает значения КПД, стремящиеся к единице. Как известно, любой элемент инерционен и обладает, кроме того, паразитными реактивностями. Поэтому в нем из-за конечного времени переключения возникают динамические потери, возрастающие с повышением тактовой частоты. Кроме того, конечные значения фронта и среза импульсов не позволяют сделать его длительность сколь угодно малой и ограничивают возможный динамический диапазон преобразования сигнала. При ключевом режиме, когда через транзистор во время каждого импульса протекает максимальный ток, величина динамических потерь для каждого импульса
ШИМ остается примерно постоянной. Следовательно, при уменьшении амплитуды усиливаемого колебания, сопровождающееся сокращением длительности импульсов (а значит, уменьшением полезной мощности), степень влияния мощности динамических потерь на ухудшение КПД возрастает. Это особенно существенно при воспроизведении сигналов с большим пик-фактором, когда средние значения амплитуд значительно меньше максимально возможной. К таким сигналам относятся, например, вещательные, в которых пик-фактор речевого сигнала превышает значения 17=6, а для музыкального может быть еще больше.
Кроме динамических, в активных элементах возникают и статические потери, обусловленные наличием остаточных напряжений на транзисторах и пороговых напряжений на рекуперативных диодах. Для уменьшения влияния первых из них напряжение источника питания усилителя стремятся повысить. Они, как и динамические потери, особенно существенно сказываются при уменьшении выходной мощности. Все это приводит не только к тому, что КПД усилителя режима D с уменьшением амплитуды входного сигнала уменьшается, стремясь в пределе к нулю, но и является источником дополнительных искажений усиливаемого сигнала.
В отличие от аналоговых усилителей в ключевых к источникам питания должны предъявляться особые требования к величине напряжений пульсаций. Возникающая при их наличии дополнительная амплитудная модуляция обогащает спектр сигнала и ухудшает точность его воспроизведения.
Восстановление первоначальной формы колебания (цифро-аналоговое преобразование) в усилителях режима D происходит, как правило, при прохождении усиленного ШИМ-сигнала через фильтр нижних частот (ФНЧ). Для улучшения подавления составляющих тактовой частоты стараются либо увеличить число его звеньев, либо применить специальные виды фильтров. В этом случае в ФНЧ могут не только возрастать потери, но и становится нелинейной его фазовая характеристика. Компенсация и того и другого приводит к увеличению массогабаритных показателей фильтра. Как отмечают 8 специалисты (например, Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Сергеев В.В. Новый метод синтеза реактивных фильтров // Электросвязь. 2001. №1. С. 33 - 36) применяемые сейчас в ключевых усилителях фильтрующие устройства, построенные традиционными методами, могут составлять 50-70% общей массы 0 и габаритов аппаратуры.
Эффективность работы фильтрующих систем снижается и при использовании асинхронных видов ШИМ (адаптивной и смешанной). В них тактовая частота зависит от амплитуды и частоты усиливаемого сигнала и изменяется при их изменении. Это ухудшает фильтрацию и приводит к увеличению искажений восстанавливаемого колебания. Еще одним источником искажений является работа на нелинейную нагрузку. В этом случае изменяются параметры ФНЧ, а значит, и степень подавления им частот полосы задержания.
Для улучшения качественных показателей усилителей режима D его охватывают отрицательной (для восстанавливаемого в нагрузке сигнала) О обратной связью (ООС), подаваемой с выхода ФНЧ на формирователь широтно-импульсной последовательности. Как отмечают исследователи, наличие в сигнале обратной связи составляющих тактовой частоты формирователя и его комбинационных с усиливаемым сигналом продуктов (которые по отношению к входному колебанию имеют значительные фазовые сдвиги) ухудшают линейность формирователя, способствуют появлению дополнительных искажений и нарушают устойчивость усилителя, ограничивая глубину вводимой отрицательной обратной связи. В некоторых случаях при различных видах модуляции (например, адаптивной с синхронизацией по фронту и срезу), области устойчивой работы усилителей различны и зависят от уровня подаваемого колебания. Поэтому усилители строятся как двухканальные и в зависимости от величины входного сигнала усиление происходит каналом с устойчивой работой.
Многоканальность используется и для снижения нелинейных искажений. В этом случае при малых уровнях сигнала усилители работают в режима AD, 9 который по сравнению с другими разновидностями ключевых усилителей обладает меньшими искажениями колебания.
Таким образом, при наличии высокой энергетической эффективности усилители режима D обладают рядом особенностей, которые затрудняют, а иногда - исключают возможность использования их в высоколинейных, широкодиапазонных устройствах, работающих совместно с чувствительной мобильной аппаратурой и использующих для питания низковольтные источники. Положение осложняется тем, что с развитием новых видов связи и резким увеличением числа передающих и приемных устройств эффективное использование спектра выделенных частот, электромагнитная совместимость оборудования и его экономичность приобретают особую актуальность. Рабочая полоса частот является национальным достоянием. Решение этих проблем возможно в сочетании использования цифровых и аналоговых радиоэлектронных устройств, каждое из которых должно быть применено в областях его наиболее целесообразного использования. Это позволяет рассматривать создание экономичных усилителей с отсутствием или существенным снижением указанных недостатков как важную народнохозяйственную задачу.
Отличительной особенностью приведенных в предлагаемом исследовании усилителей является резкое снижение, а в некоторых случаях отсутствие указанных недостатков. В них используется несколько работающих поочередно на общую нагрузку усилительных каналов, переключение которых происходит в зависимости от величины мгновенного значения сигнала. Первый из каналов (используемый при малых мгновенных значениях сигнала) всегда работает в аналоговом режиме; все остальные могут быть также аналоговыми усилителями, либо работать в режиме D. Реальные вещательные сигналы обладают большим пик-фактором, поэтому работа первого канала превалирует. Она не требует широтно-импульсного преобразования колебания, а значит, в усилителе недостатки режима D отсутствуют или оказываются значительно ослабленными, даже если второй канал работает в ключевом режиме. При
10 использовании в переключаемых каналах только аналоговых режимов работы усилитель обладает КПД, превышающим вдвое и более КПД усилителя режима В. Сочетание такого энергетического выигрыша с простотой схемной реализации при низких требованиях к параметрам и частотным свойствам используемых компонент, а также других положительных качествах выгодно отличает эти усилители от вариантов, построенных на основе иных способов повышения экономичности.
Впервые способ построения усилителей, использующий переключение каналов, предложил советский радиоспециалист Х.М. Виленский (1940 г.) [1], но подробное исследование и практическое использование таких усилителей началось с 70-х г. 20 в. В это время практически одновременно специалистами СССР, НРБ, ФРГ, Японии и США был опубликован ряд работ, посвященных этому вопросу. Различные способы построения усилителей, использующих при формировании выходного напряжения два и более поочередно работающих на общую нагрузку аналоговых усилительных каналов, были исследованы в работах В.Н. Ногина, Н.Б. Петяшина, В.М. Кибакина, Л .Я. Венчацкого, А.В. Попова, А.И. Скокова, Л.В. Бессчетновой, Х.Д. Шинева (НРБ), В.Б. Василева (НРБ), В.М. Софиянски (НРБ), Г.И. Кръстева (НРБ) и других. В настоящее время такие усилители продолжают разрабатываться и серийно выпускаться ведущими зарубежными фирмами, например, Yamaha Corporation.
Однако исследователи, рассматривая различные способы построения усилителей, использовали индивидуальные подходы. Это породило многочисленную классификацию, усложняющую анализ и оценку потенциальных энергетических возможностей различных способов построения экономичных усилителей. Поэтому назрела необходимость введения обобщенной энергетической математической модели экономичных усилителей, позволяющей с единых позиций не только рассматривать различные, известные способы построения усилителей, но и на основе анализа модели разрабатывать новые способы, позволяющие иными схемотехническими решениями И реализовывать модель. Все это требует обобщения и развития теории построения таких усилителей.
Одним из основных энергетических показателей усилителя является его КПД. До работ автора величина КПД была рассчитана только при усилении гармонического колебания и лишь в отдельных случаях - для идеального речевого сигнала. Однако гармоническое колебание, обладая многочисленными известными достоинствами, к сожалению, не отражает энергетические характеристики аппаратуры, получаемые в условиях реальной эксплуатации, т.е. при усилении ею радиовещательных программ. Это не позволяет объективно рассчитывать энергетические ресурсы аппаратуры и выбирать площади теплоотводящих радиаторов. Объективный анализ может быть произведен только с использованием моделей повседневно встречающихся сигналов: речевого и музыкального. Известно несколько аппроксимаций идеальных речевого и музыкального сигналов, предложенных разными авторами в разное время и для различных целей. Все они различаются между собой, что не позволяет априорно использовать одну из них, и требует уточнения вероятностных моделей сигналов, предназначенных для энергетических исследований усилителей.
Кроме того, на практике использование для энергетического исследования моделей идеальных сигналов часто оказывается недостаточным. При прохождении по каналам связи сигналы, как правило, подвергаются амплитудному ограничению, величина которого значительно влияет на энергетические характеристики аппаратуры. Поэтому для анализа энергетических показателей усилителей необходимо использовать математические модели вещательных сигналов, позволяющие учитывать его реальные изменения.
Следующими важнейшими параметрами рассматриваемых усилителей являются оптимальное число каналов усиления и уровень их переключения: мгновенное значение сигнала, при котором подключается очередной канал. Их необходимые величины могут быть объективно обоснованны только при
12 комплексном подходе с учетом как схемотехнических возможностей, так и моделей реально воспроизводимых сигналов. Оптимизация этих параметров является одной из основных задач, позволяющих получать максимальную эффективность от использования экономичных усилителей.
Выпускаемые в настоящее время промышленностью усилители с переключением поочередно работающих каналов предназначены для использования в стационарных условиях при питании от электрической сети. В них разновеликие питающие напряжения создаются с помощью отдельных выпрямителей. Однако в переносной аппаратуре применение для питания каналов нескольких отдельных батарей нежелательно. Это связано как с необходимостью использования числа гальванических элементов, кратного количеству каналов, так и эксплуатационными неудобствами, обусловленными неодинаковостью разряда батарей. Поэтому одной из первоочередных задач является разработка схемотехнических эквивалентов источников питания каналов и их плеч, позволяющих получать с высоким КПД от общей батареи несколько разновеликих напряжений. При этом их технические решения не должны приводить к значительному усложнению аппаратуры. Это особенно актуально в бестрансформаторных усилителях, где использование искусственных источников питания кроме повышения экономичности может привести и к увеличению максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке, а значит, и выходной мощности. Каждый из таких способов построения требует энергетического анализа его реализации и подтверждения эффективности работы искусственного источника при любой форме колебаний.
Одними из основных параметров переносной аппаратуры являются ее массогабаритные показатели. Они приводят к необходимости ограничения числа используемых элементов, и заставляют искать варианты, позволяющие достигать заданные характеристики устройства при ограниченном числе примененных транзисторов, конденсаторов и т.д. Требуемая для этого схемотехническая оптимизация устройства является одной из наиболее актуальных проблем, на ее решение направленно большинство предлагаемых в
13 настоящее время схемных реализаций. Применение для питания ограниченного числа гальванических элементов, необходимость получения наибольшей энергетической эффективности и т.д. заставляют рассматривать проблемы уменьшения остаточных напряжений на активных элементах, повышения эффективности работы вольтодобавки, функциональное совмещение использованных компонентов и другие варианты оптимизации способов реализации экономичных усилителей.
Таким образом, недостаточное теоретическое исследование потенциальных и реальных энергетических характеристик усилителей с поочередно работающими каналами, ограниченное число способов их построения, неопределенность в оптимизации числа используемых каналов и уровней переключения, небольшое количество разработанных схемотехнических решений и т.д. не позволяло до сих пор в полной мере выявить особенности работы рассматриваемых усилителей и области их наилучшего применения, наиболее полно использовать все достоинства каждого из способов построения экономичных усилителей. Это не только сдерживает развитие таких усилителей, но и препятствует возможности их широкого применения.
Все это требует развития теории таких усилителей, дальнейшей разработки новых принципов их построения, реализации и подробного исследования. Актуальность этой работы подтверждается и интересом к ней ведущих зарубежных фирм, постоянно патентующих свои технические решения по этой проблематике: Yamaha Corporation, Alcatel, Kabushiki Kaisha Toshiba, Telefonaktiebolaget Lm. Ericsson, Sanyo Electric Co. Ltd. и другие.
Цель и основные задачи диссертации. Целью работы является обобщение и развитие теории, принципов и методов построения аналого-дискретных усилителей для достижения в них в условиях вещательных сигналов высокого КПД при резком снижении или устранении недостатков, присущих режиму D.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:
1. Разработка обобщенной математической модели аналого-дискретных усилителей для их энергетических исследований.
2. Разработка новых принципов построения аналого-дискретных усилителей, позволяющих наиболее полно реализовать присущие им преимущества.
3. Уточнение математических моделей реальных речевого и музыкального сигналов, предназначенных для энергетических исследований усилителей и учитывающих изменения сигналов, возникающие при их прохождении по реальным каналам связи.
4. Анализ на основе разработанных математических моделей предельных и реальных энергетических характеристик аналого-дискретных усилителей, определение оптимального числа требуемых каналов и соотношения их напряжений питания.
5. Исследование с использованием обобщенной модели аналого-дискретного усилителя и особенностей построения, анализ предельных и реальных энергетических характеристик:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов и искусственными источниками питания первого, либо второго каналов;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным источником питания первого канала;
- предложенного усилителя смешанного режима с адаптивным источником питания первого канала.
6. Анализ предельных возможностей предложенного метода построения экономичных усилителей, в которых коэффициент передачи изменяется синхронно с напряжением питания усилителя.
7. Анализ и исследование качественных показателей аналого-дискретных усилителей.
Методы исследования. При решении поставленных задач используются методы теории электрических цепей, ряды Фурье, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, теории случайных процессов, математической статистики, численного моделирования на ЭВМ. Достоверность Ф полученных результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна полученных результатов. Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Предложена и разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей, предназначенная для их энергетических исследований. В ней напряжение и ток питания усилителей являются: одно (любое) непрерывной, а другое — дискретной функцией представления усиливаемого колебания. Такая модель описывает все известные в настоящее время способы построения аналого-дискретных усилителей, о 2. Уточнены и обобщены математические модели речевого и музыкального сигналов, предназначенные для энергетических исследований усилителей. Они учитывают изменение уровня сигналов, подаваемых на вход усилителя мощности, и их амплитудные ограничения как наиболее характерный вид искажений, возникающих в реальных каналах связи. Это необходимо для оптимального проектирования аналого-дискретных усилителей (выбора числа уровней квантования сигнала, соотношения напряжения питания каналов и т.д.) и позволяет объективно оценивать их энергетические характеристики в условиях реальной эксплуатации.
3. Предложены, разработаны и исследованы новые методы построения ф энергетически высокоэффективных усилителей, учитывающие статистические свойства реальных вещательных сигналов и условия эксплуатации усилителей:
- смешанного режима с адаптивным источником питания первого канала;
- с регулируемым источником питания, напряжение которого изменяется синхронно и пропорционально коэффициенту передачи усилителя.
4. На основе обобщенной модели аналого-дискретных усилителей с учетом специфики построения устройств разработаны математические модели:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов и искусственными источниками питания; о - усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным источником питания первого канала;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с адаптивным источником питания первого канала.
5. Исследован КПД различных типов усилителей (включая режимы В и D) при реальных сигналах. Изучено влияние на него уровней ограничения сигналов, режимов работы и т.д. Выбраны оптимальные режимы работы аналого-дискретных усилителей. Даны рекомендации по их инженерному проектированию. Полученные результаты подтвердили перспективность применения таких усилителей. В ряде из их типов КПД достигает 90%, при этом большую часть времени сигнал передается без специфических искажений, о присущих режиму D, что позволяет существенно повысить качество звукоусиления.
6. Рассмотрены причины снижения и разработаны методы повышения качественных показателей усилителей при сохранении их высокой энергетической эффективности.
Таким образом, введение обобщенной математической модели аналого-дискретных усилителей, а также уточнение и обобщение моделей речевого и музыкального сигналов, предназначенных для энергетических исследований, привели к разработке теории таких усилителей, позволяющей с единых позиций целенаправленно разрабатывать принципы их построения,
Ф рассчитывать оптимальные режимы работы усилителей, исследовать энергетические характеристики при гармоническом и вещательных сигналах, выбирать оптимальными число и соотношения напряжения источников питания каналов и т.д.
Практическая ценность диссертации
1. В результате выполненных исследований определены оптимальные режимы и области наиболее целесообразного использования каждого из типов аналого-дискретных усилителей. Разработана методика их инженерного расчета. q 2. Разработано более 30 технических решений, позволяющих в зависимости от требований, задаваемых при проектировании усилителей, оптимизировать варианты их построения (использовать трансформаторные или бестрансформаторные усилители, применять искусственные источники питания первого или второго каналов и т.д.) для наиболее полного использования достоинств, присущих данным усилителям. Двадцать из разработанных технических решений признаны изобретениями, на которые выданы авторские свидетельства СССР или патенты РФ и одно подтверждено свидетельством РФ на полезную модель.
3. Из рассмотренных в диссертации типов усилителей 12 доведены до практических схем реализации, испытаны экспериментально и подтвердили о свою высокую экономичность. В них выигрыш в КПД по сравнению с режимом
В не только достигает, но и превышает двойной, некоторые из которых внедрены, остальные могут быть рекомендованы для промышленного производства.
4. Показано, что аналого-дискретные усилители могут быть эффективно использованы в источниках бесперебойного питания.
Использование полученных в диссертационной работе результатов.
Выполненное исследование статистических свойств речевого сигнала использовано при разработке «Устройства автоматического контроля уровня вещательных программ». Последнее изготовлено и успешно эксплуатируется в Волгоградском областном радиотелевизионном передающем центре (ОРТПЦ). За эту разработку автор награжден Золотой медалью ВДНХ СССР. Разработанные энергетически высокоэффективные усилители применены в контрольных, звуковых агрегатах, эксплуатируемых Волгоградским ОРТПЦ; в
18 устройстве аварийного оповещения Волгоградского радиоцентра, в разработках ООО «Лаборатория лазерной метрологии»; в оборудовании, используемом в Управлении связи, спецтехники и автоматизации Главного управления внутренних дел Санкт-Петербурга и Ленинградской области, а также в Главном 0 управлении по делам ГО и ЧС Санкт-Петербурга.
Экономичный усилитель для электромегафона использован ОАО «ИРГ1А им. А.С. Попова» при разработке мегафонов различного назначения (аварийного авиационного, для нужд МВД и т.п.). Разработанный энергетически высокоэффективный усилитель применен в выпускаемой серийно ПО «Весна» (г. Днепропетровск) сигнально-громкоговорящей установки СГУ-100М. Результаты выполненных исследований и предложенные варианты экономичных усилителей использованы в ряде методических разработок по соответствующим дисциплинам, предназначенных для обучения студентов радиотехнических специальностей вузов, а также применены в учебных процессах Нижегородского государственного технического и о Волгоградского государственного педагогического университетов, что подтверждается соответствующими актами. Некоторые результаты использованы при написании учебника Павлова В.Н., Ногина В.Н. «Схемотехника аналоговых электронных устройств» (М.: Радио и связь, 1997, 2001,2002, рекомендованного для студентов радиотехнических специальностей вузов РФ).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей для исследования их энергетических характеристик и разработанные на ее основе с учетом специфики принципов построения устройств модели:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы переключаемых каналов и искусственными источниками питания; усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным источником питания первого канала;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с адаптивным источником питания первого канала.
2. Обобщенные математические модели речевого и музыкального сигналов, предназначенные для энергетического исследования усилителей.
3. Разработанные принципы и предложенные методы построения усилителей:
- с искусственными источниками питания каналов;
- с адаптивным источником питания первого канала в усилителе смешанного режима;
- с регулируемым источником питания, напряжение которого изменяется синхронно и пропорционально коэффициенту передачи усилителя по напряжению.
4. Результаты исследования энергетической эффективности и качественных показателей аналого-дискретных усилителей, использующих различные принципы и методы построения.
5. Рекомендации по выбору режимов работы и областей применения рассмотренных устройств.
6. Предложенные схемотехнические варианты энергетически высокоэффективных усилителей, реализующие их достоинства, практическая реализация усилителей.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники», М. 1995; 1-st IEEE International Conference On Circuit And Systems For Communication (ICCSC-2002), SPb, 2002; всероссийских конференциях: «Радиоприем и обработка сигналов», Н.Новгород, 1993; «Перспективы и развитие радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники», СПб, 1993;
20
Информационные системы и технологии (ИСТ-2001)», Н.Новгород, 2001; «Состояние и перспективы развития энергетики связи (СПРЭС-2001)», СПб, 2001; «Методы и средства измерений», Н.Новгород, 2002; региональных конференциях: НТК, посвященная Дню радио, Ростов-на-Дону, 1992; 54 и 55 НТК СПбГУТ. СПб, 2002, 2003.
Публикации. Результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 73 работах, среди которых 1 монография, 30 статей, 21 авторских свидетельств СССР, патентов и свидетельств РФ.
Основное содержание работы.
Первая глава посвящена обобщению и развитию теории построения аналого-дискретных усилителей. В ней на основе анализа известных и предложенных автором технических решений разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретного усилителя. Выполнены исследования и анализ статистических свойств реальных речевого и музыкального сигналов, которые позволили уточнить и обобщить их математические модели, предназначенные для исследования энергетических характеристик усилителей. Такие модели учитывают как величину уровня сигналов, подаваемых на вход усилителя, так и степень их амплитудного ограничения, возникающего при прохождении колебаний по реальным каналам связи. На основе введенных математических моделей выполнено исследование КПД аналого-дискретных усилителей при различных видах сигналов, их уровнях и степени амплитудного ограничения. Определены оптимальное число каналов усиления и величины их относительных напряжений питания. Показано, что для всех видов исследованных сигналов оптимальными являются усилители с двумя переключаемыми каналами, в которых относительное напряжение питания первого канала aei = 0,3 или 0,5. Они обеспечивают близкий к максимальному выигрыш в КПД и отличаются наибольшей простотой в реализации.
Во второй главе исследуются усилители режима ВС с искусственными источниками питания каналов. Такие усилители позволяют разрабатывать бестрансформаторные усилители режима ВС, используя для их питания только одну батарею. Наиболее перспективными среди них являются усилители с искусственным источником питания второго канала, которые позволяют разрабатывать бестрансформаторные усилители с амплитудой напряжения на нагрузке в 2 или 3 раза большей, чем напряжение питания плеча усилителя. Разработана математическая модель усилителя с искусственными источниками питания первого и второго каналов, предназначенная для энергетических исследований усилителей, проанализированы их режимы работы при различных видах усиливаемых сигналов (гармоническом, речевом и музыкальном с различными уровнями их амплитудного ограничения). Найдены величины максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке, формируемые каждым из каналов. Показана перспективность использования таких усилителей для усиления гармонических и радиовещательных сигналов. Установлено, что для обеспечения в усилителях при этих видах колебаний напряжения пульсаций искусственных источников, меньших 1%, необходимо нормированную постоянную времени цепи заряда накопительного конденсатора питания Тз/Т выбрать: для искусственных источников первого канала - Тз/Т> 0,1; для искусственных источников второго канала - т3/Г> 0,3.
Третья глава посвящена исследованию усилителей смешанного режима, состоящих из двух каналов усиления: первый из них работает в режиме АВ, а второй - в режиме D. Это позволяет сочетать повышенные значения КПД такого усилителя с ослаблением или полностью устранением недостатков, присущих преобразованию аналогового сигнала в ШИМ-колебание. Изучены усилители как с фиксированным, так и предложенным адаптивным источниками питания. Разработана энергетическая математическая модель усилителя, исследованы максимально достижимая амплитуда напряжения на
22 нагрузке, КПД усилителя, мощности потерь в его элементах при различных видах усиливаемых сигналов: гармоническом, речевом, музыкальном с различными уровнями и величинами их амплитудного ограничения. Изучены изменения энергетических характеристик усилителей, происходящие при изменениях уровня сигнала, степени амплитудного ограничения и пик-фактора колебания, а также при различных режимах работы активных элементов, при разной величине относительного напряжения питания первого канала и при применении реальных элементов. В результате установлено, что при использовании фиксированного напряжения питания первого канала его квазиоптимальные значения находятся в интервале sej = 0,1 — 0,2.
Показано, что использование адаптивного напряжения питания первого канала позволяет при усилении амплитудно-ограниченных сигналов (что характерно для реальных условий эксплуатации) обеспечивать их большую защищенность от недостатков, характерных для ШИМ-преобразования, чем в усилителях с фиксированным питанием первого канала. Например, при использовании в усилителе типовых элементов с увеличением степени ограничения сигнала с а = 0 дБ до а — — 7 дБ относительная длительность сигнала не подвергшегося ШИМ-преобразованию уменьшилась с 84,3 до 78,8%, в тоже время в усилителях с фиксированным напряжением питания, имеющем то же первоначальное значение Е\, она уменьшается с 84,3 до 66,7%.
В четвертой главе рассмотрены вопросы обеспечения в усилителях режима ВС заданных качественных показателей. Проанализированы причины возникновения дополнительных нелинейных искажений и методы их снижения. Получены математические выражения для расчета коэффициента гармоник, приведены методика и практический пример его расчета. Показано, что высокие качественные показатели могут быть получены в аналого-дискретных усилителях при тех же требованиях к частотной характеристике и нелинейным искажениям каналов, что и в усилителях режима В. Приведены результаты субъективной оценки качества звучания разработанного усилителя,
23 выполненной методом парных сравнений, показывающие высокое качество воспроизводимого усилителем радиовещательного сигнала.
В пятой главе рассмотрены разработанные варианты предложенных схемотехнических реализаций энергетически высокоэффективных усилителей, позволяющие всесторонне использовать достоинства аналого-дискретных усилителей. Двадцать из них признаны изобретениями, на которые выданы авторские свидетельства СССР или патенты РФ, и одно подтверждено свидетельством РФ на полезную модель. Приведена методика инженерного расчета усилителей, рассмотрены особенности их проектирования. Показано, что во всех разработанных усилителях в условиях радиовещательных сигналов среднеэксплуатационный КПД в 2 - 3 раза больше, чем в усилителях режима В. Это подтверждается результатами практической эксплуатации усилителей. Разработано более 30 типов устройств, которые позволяют наиболее полно и всесторонне использовать все присущие данным усилителям достоинства.
В заключении констатируется, что основным результатом работы является обобщение и развитие теории, методов анализа аналого-дискретных усилителей, разработка принципов и новых методов их построения, исследование усилителей, позволившие получить в них наибольший выигрыш в КПД. На основе полученных результатов исследований делается вывод о перспективности использования аналого-дискретных усилителей в технике звукоусиления и целесообразности рекомендации разработанных в диссертации технических решений для внедрения в промышленное производство.
Заключение диссертация на тему "Разработка теории и принципов построения аналого-дискретных усилителей"
выводы
Предложены и рассмотрены технические решения, позволяющие наиболее полно реализовать достоинства энергетически высокоэффективных аналого-дискретных усилителей. Определены области их наиболее целесообразного использования.
В результате установлено:
1. Продолжает оставаться актуальным разработка энергетически высокоэффективных трансформаторных усилителей, позволяющих применять нагрузки с различным сопротивлением и создавать устройства заданной выходной мощности с использованием выпускаемых громкоговорителей без расширения их ассортимента.
2. Наиболее перспективными являются бестрансформаторные усилители, имеющие по сравнению с трансформаторными меньшие частотные, фазовые и нелинейные искажения. Среди них:
-обеспечивающие одинаковый разряд батарей питания (рис. 5.2);
- использующие для питания один источник (рис. 5.3, 5.4);
- позволяющие при неизменных напряжении питания и нагрузке получать мощность в 4 либо в 9 раз большую, чем в обычных полумостовых усилителях. К первым из них относятся: несимметрично-дроссельный (рис. 5.28) и бестрансформаторные (рис. 5.7, 5.8) усилители, ко вторым — усилители, построенные на основе рассмотренного способа реализации в них зе| = 1/3 (рис. 5.5, 5.6, 5.36). Приведенные технические решения позволяют создавать бестрансформаторные усилители значительной мощности с использованием низковольтных (единицы вольт) источников питания без расширения ассортиментов выпускаемых громкоговорителей.
3. Использование разработанных технических решений позволяет в аналого-дискретных усилителях:
- повысить коэффициент использования напряжения питания (рис. 5.9, 5.10,5.11,6);
- сохранить при переключении каналов постоянство входного сопротивления усилителя (рис. 5.10, 5.14).
4. Перспективным для применения в усилителях является способ повышения КПД, при котором напряжение питания усилителя регулируется и изменяется пропорционально изменению положения ручки регулятора громкости так, что коэффициент его использования в пиках сигнала остается максимальным. Получаемый при этом выигрыш в КПД пропорционален уменьшению уровня воспроизводимого сигнала относительно его максимально возможного значения, (рис. 5.13).
5. Для усиления сигналов специальной формы целесообразно использовать усилитель, напряжение питания первого канала которого можно устанавливать произвольно в зависимости от формы колебания (рис. 5.16).
6. Экспериментально установлено:
- все основные теоретические положения соответствуют экспериментально получаемым на разработанных образцах данным, что подтверждает правильность введенных моделей и аппроксимаций;
- во всех предложенных и исследованных усилителях при усилении реальных радиовещательных сигналов выигрыш в токе питания и КПД, по сравнению с усилителями класса В, составляет 2 — 3 раза;
- сравнительные измерения разработанных усилителей с серийно выпускаемыми моделями показали, что при указанном энергетическом выигрыше качественные показатели разработанных усилителей не только соответствуют, а зачастую превосходят серийно выпускаемые аналоги.
7. Показано, что аналого-дискретные усилители могут эффективно использоваться в источниках бесперебойного питания, обеспечивая высокий КПД и требуемый коэффициент нелинейных искажений сформированного колебания.
Все это позволяет рекомендовать разработанные схемы для внедрения в промышленное производство.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основным результатом работы является развитие теории, ее обобщение, разработка принципов и новых методов построения аналого-дискретных усилителей, их исследование. Наиболее значимые научные и практические результаты работы состоят в следующем:
1. Разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей, позволяющая находить предельные значения КПД и мощности потерь в элементах усилителей, использующих различные принципы и методы, при усилении как детерминированных колебаний, так и заданных вероятностными моделями.
2. На основе анализа статистических свойств реальных речевого и музыкального сигналов уточнены и обобщены их математические модели, предназначенные для исследования энергетических характеристик усилителей. Такие модели учитывают не только разный уровень подаваемых на вход усилителя сигналов, но и различную степень амплитудного ограничения, возникающего при их прохождении по реальным каналам связи.
3. На основе введенных математических моделей выполнено исследование КПД аналого-дискретных усилителей при различных видах сигналов, их уровнях, степени амплитудного ограничения; определены оптимальное число каналов усиления и величины их относительных напряжений питания. Показано, что для всех видов исследованных сигналов оптимальными являются усилители с двумя переключаемыми каналами, в которых относительное напряжение питания первого канала aej = 0,3 или 0,5. Они обеспечивают близкий к максимальному выигрыш в КПД и отличаются наибольшей простотой в реализации. Первые предпочтительны при использовании в устройствах высококачественного усиления, где, как правило, воспроизводимый сигнал не ограничен по амплитуде, вторые - в звуковещательных установках и мегафонах.
4. На основе обобщенной модели с учетом специфики построения устройств разработаны математические модели следующих усилителей:
- двухканальных с искусственными источниками питания первого либо второго каналов;
- смешанного режима с фиксированным напряжением питания первого канала;
- смешанного режима с адаптивным напряжением питания первого канала.
Исследованы максимально достижимая амплитуда напряжения на нагрузке, КПД усилителя, мощности потерь в его элементах при гармоническом, речевом и музыкальном сигналах. Проанализированы изменения этих параметров, происходящие при изменениях уровня сигнала, степени амплитудного ограничения и пик-фактора колебания; при различных режимах работы активных элементов; при разной величине относительного напряжения питания первого канала; при применении реальных элементов, имеющих различные параметры. В результате установлено:
4.1. Для обеспечения в двухканальных усилителях с искусственными источниками питания при напряжении пульсаций этих источников, меньших 1%, необходимо нормированную постоянную времени цепи заряда накопительного конденсатора питания Т3/Г выбрать: для искусственных источников первого канала - Тз/Т> 0,1; для искусственных источников второго канала - т3/Т> 0,3.
4.2. В усилителях смешанного режима с фиксированным напряжением питания первого канала квазиоптимальные значения относительного напряжения питания первого канала находятся в интервале sei = 0,1 — 0,2. Это позволяет сочетать повышенные значения КПД усилителя с защищенностью подавляющей части усиливаемого сигнала от специфических искажений, присущих режиму D. Например, в усилителе с asj = 0,15 при усилении неограниченного по амплитуде речевого сигнала 82% времени колебание воспроизводится аналоговым каналом, при этом КПД усилителя равен 80,6%.
4.3. Усилители смешанного режима с адаптивным напряжением питания первого канала при увеличении степени ограничения сигнала обеспечивают большую защищенность сигнала от преобразования в ШИМ колебание, чем усилители с фиксированным питанием. Например, при использовании в усили
288 теле типовых элементов и соотношении индуктивностей цепи нагрузки и заряда Ьц/Li = 1 с увеличением степени ограничения сигнала с а = 0 дБ до а = -7 дБ относительная длительность сигнала не подвергшегося преобразованию уменьшилась с 84,3 до 78,8%. В усилителях с фиксированным напряжением питания, имеющем то же первоначальное значение Еи она уменьшается с 84,3 до 66,7%.
5. Исследованы причины ухудшения и методы обеспечения требуемых качественных показателей аналого-дискретных усилителей. Показано, что они обеспечивают близкий к максимальному выигрыш в КПД при тех же требованиях к частотным характеристикам, что и для усилителей режима В (АВ). Получены выражения, разработана методика и приведен пример расчета коэффициента гармоник в таких усилителях. Даны рекомендации по снижению нелинейных искажений в усилителях.
6. Предложен метод повышения КПД усилителя, использующий синхронное изменение коэффициента передачи и напряжения питания усилителя. В этом случае при уменьшении громкости реально прослушиваемой программы одновременно и пропорционально уменьшается напряжение питания усилителя до значений, позволяющих лишь сохранить динамический диапазон сигнала. Получаемый выигрыш в КПД по сравнению с усилителем режима В обратно пропорционален степени уменьшения громкости звучания.
7. Приведена методика инженерного расчета усилителей, рассмотрены особенности их проектирования.
8. Предложено более 30 технических решений, позволяющих всесторонне использовать достоинства аналого-дискретных усилителей, двадцать из них признаны изобретениями, на которые выданы авторские свидетельства СССР или патенты РФ, и одно подтверждено Свидетельством РФ на полезную модель.
Из приведенных в диссертации типов усилителей, реализующих различные из предложенных методов повышения КПД, 12 доведены до практической реализации, испытаны экспериментально и подтвердили свою высокую эконо
289 мичность. В них выигрыш в КПД в условиях реальных радиовещательных сигналов в два раза выше по сравнению с усилителями режима В.
Таким образом, выполненные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования позволили изучить свойства, энергетические характеристики и область целесообразного применения аналого-дискретных усилителей, построенных с использованием различных принципов и методов. Это не только устранило пробел в их теории, но и позволило сделать ряд выводов, важных для дальнейшего совершенствования и практического применения высокоэффективных усилителей звуковой частоты.
Результаты выполненных исследований показали перспективность использования аналого-дискретных усилителей в технике звукоусиления. Это позволяет рекомендовать разработанные в диссертации технические решения для внедрения в промышленное производство.
Библиография Догадин, Николай Борисович, диссертация по теме Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
1. А.с. 63020 СССР. Усилитель мощности / Х.М. Виленский //Ежемесячный бюллетень бюро изобретений. 1941. № 1.
2. Oehmichen J.P. L'amplificateur "Classe D". // Electronique Industrielle. 1955, N1. P. 5 -10.
3. А.с. 110604 СССР. МКИ H 03 F 3/26. Импульсный усилитель мощности колебаний звуковой частоты / Агеев Д.В., Маланов В.В., Полов К.П. // Б.И. 1958. № 1.
4. Ногин В.Н. Усилители со ступенчатым управлением напряжением на транзисторах. М.: Связь, 1979. 112 с.
5. Ногин В.Н. Двухтактные усилители мощности со ступенчатым напряжением питания и встречно-параллельным включением плеч // Радиотехника. 1974. Т.29. № 7. С. 76 81.
6. Артым А.Д. Усилители класса D и генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980. 209 с.
7. Дмитриков В.Ф., Петяшин Н.Б., Сивере М.А. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. М.: Радио и связь, 1988. 192 с.
8. Кибакин В.М. Основы ключевых методов усиления. М.: Энергия, 1980.144 с.
9. Алексанян А.А.,Плюснин В.Н.,Сивере М.А. Энергетические характеристики одно-тактного усилителя класса Д // Изв.вузов СССР. Радиоэлектроника. 1976. Т. 19. № 7. С. 33 39.
10. А.с. 1198740 СССР. МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 46.
11. А.с. 1171976 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/217. Усилитель мощности однополярного сигнала / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 29.
12. А.с. 1337997 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/20. Усилитель мощности/ Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин//Б.И. 1987. №34.
13. Osburg Gernon Hi-Fi Leistungsendstufe // Funkshau. 1981. № 4. С. 77-78.
14. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот / Под ред. Н.Л. Без-ладнова. М.: Связь, 1978. 368 с.
15. Василев В.Б., Софиянски В.М., Василев Б.В. Усилватели с повишени енергийни показатели. София.: Техника, 1984. 200 с.
16. Кръстев Г. И, Василев В.Б., Ногин В.Н. Високоефективни висококачествени усил-вателни уредби // Електропромишленост и приборостроене. 1985. № 12. С. 12 14.
17. Funada S.,Akiya Н. A study of hig-efficiency audio power amplifiers using a voltage switching method //Journal of the Audio Engineering Society. 1984. 32. № 10. C. 755 762.
18. Василев В.Б., Крыстев Г.И., Ногин В.Н. Усилители класса ВС производства Народной Республики Болгарии // Электросвязь. 1985. № 9. С. 43 45.
19. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 2000. 320 с.
20. Кибакин В.М. Автономные звуковещательные установки. М.: Радио и связь, 1983.144 с.
21. Фант Г. Акустическая теория речеобразования: Пер с англ. М.: Наука, 1964. 284 с.
22. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка цифровых сигналов. М.: Радио и связь, 1981.495 с.
23. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь. 1983. 624 с.
24. Михайлов В.Г., Златоустова Л.В. Измерение параметров речи. М.: Радио и связь, 1987. 168 с.
25. Калинцев Ю.К. Разборчивость речи в цифровых вокодерах. М.: Радио и связь, 1991.220 с.
26. Шитов А.В., Белкин Б.Г. Статистические характеристики сигналов, представляющих натуральные звучания и их применение при исследовании электроакустических систем // Труды НИКФИ. 1970. Вып. 56. С. 77 174.
27. Гензель Г.С. Исследование распределения во времени вещательной передачи //
28. Труды ЛЭИС. 1959. Вып. 7 (44). С. 147 158.
29. Ферсман Б.А. Экспериментальное исследование статистических свойств музыкальных и речевых радиовещательных сигналов // Акустический журнал. 1957. Т. 3. Вып. 3. С. 274-281.
30. Риме кий-Корсаков А.В. Статистические свойства радиовещательного сигнала // Акустический журнал. 1960. Т. 6. Вып. 3. С. 360 369.
31. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналам связи. М.: Радио и связь, 1983. 240 с.
32. Неманов B.C. Статистические свойства огибающей радиовещательного сигнала / Вопросы радиоэлектроники. Серия ТРПА. 1961. Вып. 3. С. 69 82.
33. Догадин Н.Б. Разработка и исследование энергетической эффективности усилителей звуковой частоты с аналого-дискретным управлением мощностью потерь в активных элементах. Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. / ГПИ. Горький, 1988.
34. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Компьютерное измерение энергетических параметров радиовещательных сигналов // V Всерос. НТК «Методы и средства измерений физических величин»: тез. докл. Н. Новгород, 2000. Ч. III. С. 12.
35. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975. 648 с.
36. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высш.шк. 1999. 576 с.
37. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Предельный КПД усилителей с аналого-дискретным управлением мощностью потерь в активных элементах // Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства / НГТУ. Н. Новгород, 1997. С. 125-127.
38. Догадин Н.Б. Максимальный КПД усилителя класса В при речевом сигнале // Элементы приемно-усилительных устройств / ТРТИ. Таганрог, 1986. Вып. 3. С. 129 — 131.
39. Догадин Н.Б. Энергетическая эффективность усилителей режима В при воспроизведении музыкальных вещательных сигналов // Труды вузов России. Радиоэлектроника. 2002. №2. С. 29-34.
40. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Максимальный КПД усилителей режима В при воспроизведении реального музыкального сигнала // Всероссийская НТК «Информационные системы и технологии (ИСТ 2001)»: тез. докл. Н. Новгород, 2001. С. 32 - 33.
41. Догадин Н.Б. КПД усилителей с аналого-дискретным управлением мощностью потерь на активных элементах при усилении ограниченного речевого сигнала // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1987. С. 95 — 100.
42. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД усилителей со ступенчатым управлением // Радиотехника. 1996. № 3. С. 13 14.
43. Ногин В.Н. Двухтактный усилитель мощности с питанием от трех источников // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1973. Т. 16. № 7. С. 107 109.
44. Ногин В.Н. Эффективность усилителей с тремя напряжениями питания при усилении речевых сигналов // Труды Горькое, политехнич.ин-та / ГПИ. Горький, 1973. Т. 29. Вып. 13. С. 21-24.
45. Ногин В.Н. Способ повышения эффективности экономичного усилителя // Изв.вузов СССР. Радиоэлектроника. 1975. Т. 18. № 11. С. 37-41.
46. Булгак В.Б. Зависимость КПД мощных усилителей звуковой частоты от параметров вещательного сигнала // Электросвязь. 1970. № 10. С. 78 79.
47. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Усилители режима ВС с искусственным источником питания первого канала при гармоническом сигнале // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС / СПбГТУ РП. СПб, 2002. С. 243 -249.
48. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилитель с повышенным КЦД сигналов с большим пикфактором // Изв.вузов СССР. Радиоэлектроника. 1979. Т.22. № 8. С. 55 59.
49. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Усилители режима ВС с искусственным источником питания первого канала при речевом сигнале // Труды вузов России. Радиоэлектроника. 2002. №2. С. 22-29.
50. Техника проводного вещания и звукоусиления./ Под ред. Булгака В.Б.и Ефимова А.П. М.: Радио и связь, 1985.288 с.
51. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичные усилители для радиоприемников // НТС ЦП НТО РЭС им. А.С. Попова «Усилительные устройства». М., 1986.
52. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилитель с повышенным КПД и бестрансформаторным выходом // Радиотехника. 1985. №2. С.89-91.
53. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Ключевые усилители с ШИМ / ННПИ. Н. Новгород, 1991. С. 20.
54. Ногин В.Н. Упрощенный анализ энергетической эффективности усилителя класса D при синусоидальной форме колебаний // Изв.вузов СССР. Радиоэлектроника. 1977. Т. 20. № 1.С. 63-69.
55. А.с. 1133650 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/217. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин//Б.И. 1985. №1.
56. Коссов О.А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. М.: Энергия, 1971.432 с.
57. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД усилителя, работающего в смешанном режиме при синусоидальной форме колебаний // Радиотехника. 1984. № 12. С. 74 78.
58. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД усилителя смешанного режима при усилении реальных речевых сигналов // VI Всероссийская НТК «Радиоприем и обработка сигналов»: тез. докл. Н.Новгород. 1993. С. 72.
59. Догадин Н.Б. КПД усилителя смешанного режима при речевом сигнале // Электромагнитная совместимость / ГГУ. Горький, 1987. С. 52 57.
60. Догадин Н.Б. Максимальные мощности потерь в усилителе, работающем в смешанном режиме // Методы и устройства первичной обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1985. С. 117 122.
61. Догадин Н.Б. Энергетическая эффективность линейно-ключевого усилителя при стохастическом воздействии // Известия вузов. Приборостроение. 2003. № 3. С. 44-49.
62. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Исследование КПД усилителя смешанного режима с адаптивным промежуточным напряжением питания // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1988. С. 118 122.
63. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Анализ максимальных мощностей потерь в усилителе смешанного режима с адаптивным промежуточным напряжением питания // Электрооборудование промышленных установок / НПИ. Н. Новгород, 1991. С. 80 83.
64. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Влияние полосы пропускания в усилителе режима ВС на его КПД // Радиотехника. 1996. № 2. С. 20 21.
65. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства: Учеб.пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1992. 304 с.
66. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Полоса пропускания усилителя режима ВС // VI Всероссийская НТК «Радиоприем и обработка сигналов»: тез. докл. Н.Новгород. 1993. С. 73.
67. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилители с частично совмещенной работой аналоговых каналов и их КПД при гармоническом сигнале // НТК, посвященная Дню радио: тез. докл. Ростов-на-Дону, 1992.
68. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Исследование мощностей потерь в активных элементах усилителей с частично совмещенной работой аналоговых каналов //Тезисы докладов научно-технической конференция посвященной Дню радио Ростов-на-Дону, 1992
69. А.с. 1167697 СССР. МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 26.
70. А.с. 1167696 СССР. МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности (его варианты) / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 26.
71. А.с. 1030787 СССР, МКИ3 Н 03 F 3/20. Источник питания постоянного тока / Ногин В.Н.//Б.И. 1983. №27.
72. А.с. 1156238 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 18.
73. А.с, 1408521 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/21. Двухтактный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1988. № 25.
74. А. с. 1337998 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный бестрансформаторный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1987. № 34.
75. А.с. 907767 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности // Н.Б. Догадин, Л.Л. Шемет // Б.И. 1982. № 7.
76. Догадин Н.Б. Ногин В.Н. Усилитель с повышенным КПД без намоточных узлов // Радиотехника. 1986. № 2. С. 85 87.
77. А.с. 1083339 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1984. № 12.
78. А.с. 1256141 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/20. Усилитель мощности (и его варианты) / Н.Б. Догадин // Б.И. 1986. № 33.
79. А.с. 1249692 СССР, МКИ4 Н 03 F3/20. Усилитель мощности/ Н.Б. Догадин // Б.И. 1986. №29.
80. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усовершенствованная схема вольтодобавки для предо-конечного каскада усилителя // Методы и устройства обработки сигналов в радиотехнических системах / ГПИ. Горький, 1987. С. 90 95.
81. А. с. 1411920 СССР, МКИ4 НЗ F 3/20. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин//Б.И. 1988.№27.
82. А.с. 1336196 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/20. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин//Б.И. 1987.№33.
83. А. с. 1732424 СССР, МКИ5 НЗ F 3/20. Усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин//Б.И. 1992. №17.
84. А. с. 1352616 СССР, МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1987. № 42.
85. Догадин Н.Б., Ногин В.Н Экономичные усилители для радиоприемников // Радиотехника. 1988. № 3. С. 31 33.
86. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичный усилитель для электромегафона // Повышение помехоустойчивости и эффективности радиоэлектронных систем и устройств / ГПИ. Горький, 1981. Вып. 4. С. 69-71.
87. Патент 1474826 РФ, МКИ Н4 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин//Б.И. 1989. № 15.
88. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Стоваттный экономичный усилитель для передвижной громкоговорящей установки // Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства /НГТУ. Н. Новгород, 1995. С. 58 61.
89. Догадин Н.Б. Аналого-дискретные усилители. Волгоград СПб.: Перемена, 2003.216с.
90. А.с. 1394405 СССР. МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1988. № 17.
91. А.с. 1374401 СССР, МКИ Н4 03 F 3/26. Двухтактный усилитель мощности / Н.Б.
92. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1988. № 6.
93. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Бестрансформаторный усилитель звуковой частоты с повышенным КПД // Повышение помехоустойчивости и эффективности радиоэлектронных систем и устройств / ГГУ. Горький, 1976. Вып. 1. С. 64 66.
94. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичный усилитель звуковых частот для установок массового обслуживания населения // Совершенствование техники, технологии и повышение эффективности предприятий службы быта / ШТИБО. Шахты, 1993. Вып. 2. С. 39 42.
95. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД экономичного бестрансформаторного усилителя с повышенной амплитудой выходного напряжения на речевом сигнале // МК НТОРЭС им.
96. A.С. Попова «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники»: мат-лы. М., 1995. С. 225.
97. Dogadin N.B., Nogin V.N. Small Size Audiofrequency Power Amplifiers // Presend at the 98th Convertion. Feb. 25-28. Paris, 1995.
98. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Исследование КПД усилителя режима ВС с накопительными конденсаторами и удвоением напряжения питания // Радиотехника. 2001. № 11. С. 49-51.
99. Dogadin N.B., Dmitrikov V.F. Uninterruptible Power Supplies Of Small Power With The Improved Shape Of Output Voltage //1-st IEEE International Conference On Circuit and Systems for Communication: мат-лы. СПб, 2002. С. 110-113.
100. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Линейно-ключевой инвертор // 54 НТК: мат-лы. СПбГУТ. СПб, 2002.-С.106.
101. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф., Ногин В.Н. Энергетически высокоэффективный усилитель звуковых частот // 54 НТК: мат-лы. СПбГУТ. СПб, 2002. С. 107.
102. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Максимальные мощности потерь в активных элементах усилителей ВС при реальных речевых сигналах // 55 НТК: мат-лы. СПбГУТ. СПб, 2003. С. 106.
103. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф. Энергетически высокоэффективный усилитель для электромегафона // 55 НТК: мат-лы. СПбГУТ. СПб, 2003. С. 106 107.
104. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Усилители режима ВС с бестрансформаторным выходом / НГТУ. Н. Новгород, 1993.22 с.
105. Василев В.Б. Високоефективни и висококачествени усилватели // Радио, телеви-зия, електроника. 1982. № 6. С. 13 — 15.
106. А.с. 32251 НРБ, МКИ4 Н 03 F 3/20. Усилвател на мощност клас ВС / В.Б.Василев,
107. B.М.Софиянски, Б.ВБасилев, П.ИДанчев, J1.B. Ангелов, И.М.Странджалиев, Г.СКехайов (НРБ).
108. А.с. 33422 НРБ. МКИ3 Н 03 F 3/20. Усилвател на мощност класс ВС / В.Б.Василев, В.М.Софиянски, Б.В.Василев (НРБ).
109. Пат. 56-41002 Япония, МКИ3 Н 03 F 1/02.
110. Пат. 56-41003 Япония, МКИ3 Н 03 F 1/02.
111. Пат. 57-5085 Япония. МКИ3 Н 03 F 1/02.
112. Усилитель "Енисей к 5.0". Техническое описание и инструкция по эксплуатации (РТ 2.032.010 ТО). 1999.
113. Кибакин В.М. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей. М.: Радио и связь, 1988.
114. Гасанов М. Цифры Гамбургского счета. Усилитель Signat DIG1 // Автозвук. 2000. №4. С. 76-78.
115. Гасанов М. Фокусы с переодеванием. Lanzar Vibe 1200D // Автозвук. 2001. № 1. С. 46-48.
116. Гасанов М. Другой класс // Автозвук. 2002. № 10. С. 52 55.
117. Хохлов П. Парни из класса "Д" // Автозвук. 2002. № 8. С. 60 71.
118. Хохлов П. Считаем до одного. // Автозвук. 2002. № 8. С. 60 71.
119. Электромегафон ЭМ-12. Рекламный листок.
120. Елютин А. Конец алфавита. Все, что удалось узнать о новом классе усилителей «Т» // Автозвук. 2001. № 4. С. 12 17.
121. Хохлов П. Между прошлым и будущим. Усилитель Ultimate Digitalis И Автозвук.2002. № 1.С. 78-82.
122. Филатов Б.Н., Шершакова А.В. Автоматизированные станции проводного вещания ТУПВ. М.: Радио и связь, 1986. 160с.
123. Пат. № 6107886 США. МКИ7 Н 03 F 3/04.
124. Пат. № 6215356 США. МКИ7 Н 03 F 3/217.
125. Пат. № 626273 США. МКИ7 Н 03 F 3/04.
126. Пат. № 5387876 США. МКИ6 Н 03 F 3/26.
127. Пат. № 6323733 США. МКИ6 Н 03 F 3/38.
128. Пат. № 5387876 США. МКИ6 Н 03 F 3/38.
129. Пат. № 6028486 США. МКИ6 Н 03 F 3/04.
130. ОСТ 4.202.003 Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Субъективная оценка качества звучания. Методы испытаний. М.: 1978.
131. Алдошина И.А. Электроакустические измерения и оценка качества звучания. Учебное пособие / ГУТ. СПб, 1998. 66 с.
132. А.с. 1198740 СССР. МКИ4 Н 03 F 3/26. Двухтактный бестрансформаторный усилитель / Н.Б. Догадин, В.Н. Ногин // Б.И. 1985. № 46.
133. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. КПД простейших усилителей класса ВС при трех способах управления переключением источников питания // Электронное оборудование промышленных установок / ГПИ. Н. Новгород, 1990.
134. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Схемотехника усилителей режима ВС с бестрансформаторным выходом / НГТУ. Н. Новгород, 1999. С. 22.
135. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Квазимостовой усилитель мощности // Электрооборудование промышленных установок / НГТУ. Н. Новгород, 1994. С. 76 79.
136. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичные усилители для переносной радиоаппаратуры // Всероссийская НПК «Перспективы и развитие радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники»: тез. докл. СПб, 1993. С. 12-13.
137. Догадин Н.Б., Ногин В.Н. Экономичный усилитель звуковых частот с регулируемым источником питания // IV Всероссийской НТК «Методы и средства измерений»: мат-лы. Н. Новгород, 2002. Ч. 2. С. 9.
138. Догадин Н.Б., Дмитриков В.Ф., Ногин В.Н. КПД бестрансформаторного экономичного усилителя мощности с амплитудой выходного напряжения, превышающей напряжение источника питания усилительного плеча// 54 НТК: мат-лы. СПбГУТ. СПб, 2002. С. 106.
139. Догадин Н.Б. Аналого-дискретные усилители. Волгоград СПб.: Перемена, 2003.216с.
140. А.с. 29190. Полезная модель РФ. Источник бесперебойного питания / Н.Б. Догадин, В.Ф. Дмитриков, И.Н. Самылин // Полезные модели. Промышленные образцы.2003. № 12.
-
Похожие работы
- Синтез комбинированных вычислительных устройств для систем автоматизированного управления реального времени
- Разработка импульсного магнитоэлектрического усилителя рулевого привода и исследование основных его показателей
- Методы проектирования усилителей мощности класса E в радиоустройствах на основе МОП-транзистора
- Синтез и реализация дельта-сигма АЦП двоичного и троичного кода с расширенной полосой рабочих частот и малой потребляемой мощностью
- Схемотехнические способы повышения быстродействия операционных преобразователей аналоговых сигналов в нелинейных режимах
-
- Теоретические основы радиотехники
- Системы и устройства передачи информации по каналам связи
- Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
- Антенны, СВЧ устройства и их технологии
- Вакуумная и газоразрядная электроника, включая материалы, технологию и специальное оборудование
- Системы, сети и устройства телекоммуникаций
- Радиолокация и радионавигация
- Механизация и автоматизация предприятий и средств связи (по отраслям)
- Радиотехнические и телевизионные системы и устройства
- Оптические системы локации, связи и обработки информации
- Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства