автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Развитие теории и совершенствование методов ключевого усиления и улучшение энергетических характеристик и показателей качества мощных радиотехнических устройств с импульсной модуляцией

Г4

г> г ■ \). I

V 1 о

г ц 1В37

На правах рукописи

НИКИТИН Константин Константинович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КЛЮЧЕВОГО УСИЛЕНИЯ И УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА МОЩНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.12.17 — Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.

Научный консультант — академик Международной академии информатизации, д. т. н., проф. М. А. СИВЕРС

Официальные оппоненты: д. т. н., проф. А. Д. АРТЫМ, д. т. н„ проф. Р. X. БАЛЬЯН, д. т. н„ проф. Э. В. СЫРНИКОВ

Ведущая организация — Российский институт мощного радиостроения

Защита диссертации состоится « . 1997 г.

в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 118.01.01 Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, СПб, наб. р. Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «

> 1997

Ученый секретарь диссертационного совета,

д. т. н„ проф. ОС^/ К. Д. ОВЧИННИКОВ

г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рост энергетической эффективности современной радиопередающей и усилительной техники, модуляторов, вторичных источников электропитания, широкого спектра лабораторно-технолопгческой аппаратуры, построенной с использованием ключевых методов преобразована и усиления сигналов в широком диапазоне частот - одна из основных тенденций в развитии мощных устройств радиоэлектроники и связи. Помимо собственно экономии энергоресурсов, что имеет все большее и большее значение, повышение КПД аппаратуры способствует решению важных технически;: и хозяйственных задач. Так, снижение тепловыделения аппаратурой, установленной в ограниченных объемах либо на подвижных объектах, упрощает их построение в совокупности с системами теплоотаода, а в ряде случаев обеспечивает единственно возможный путь их построения. Часто методы повышения энергетической эффективности приводят не только к ощутимой экономии, но и способствуют повышению надежности и увеличению срока службы изделий. Это происходит из-за исключения режимов, для которых оказываются характерными большие кратковременные значения энергии, выделяемой на отдельных элементах устройства. Характерны ситуации, когда снижение выделяемой в вядз тепла энергии оказывается единственным путем, обеспечивающим построение аппаратуры в формах и габаритах, пригодных для использования в конкретных условиях потребителя.

Длительное время решение задачи повышения энергетической эффектип-ности аппаратуры оснозыпагтся на использовании клгочеЬого режима работы аютвных, обычно полупроводниковых, прнСоров. Первый опыт кспользоиани! ключевых методов а преобразовательной технике относится х 20 - 30-м годам нашего столетия и основжается на применении разрабогаткз; х этому срсмз-ни мощных газоразрядных я ртупшх вентилей. Сейчас трудно, зосстзнпвлкбзя историческую справедатвость, определить пграил пркм'р использования собственно ключесых методов для усиления злеглромагжгпагх коло^знгтй. Не существует так же четкой гракшда мохпу сздвми ключевыми и нсхгочгсыми методами. Тзк, изобретение бягармснкческих и полигЁрмошгкс:хих режимов работы оконечных етскадоз лемповых передпчкков било шагом, ос1юва1Пшм на энергетическом пр?:»!уществе, сбеспгчигземси приближением формы напря-жеккз (либо тока) з:сг;тнсго прибора к прямоугольной. Возможно считать первой публикацией по применению шкротшмшпульсной модуляции для усиление работу Бэдфорда (Bedford B.D., 1931 г.), однако широкое применение метода ключевого усиления начинается двумя десятилетиями позже, когда технические параметры применяемой элементной базы: сделали ключевые методы конкурентоспособными с существующими. Практически одновременно Д.В.Агеев в Горькокском политехническом институте в СССР и П.Шарбонье во Франций (Sherbonuel, 1955 г.) разработали ключевые устройства для усиления сигналов.

Огромная заслуга в развитии и обобщении методов ключевого усиления сигналов низкой частоты (совместно с Д.В. Агеевым) принадлежи! В.В.Маланову. Лишь немногим позже начинают развиваться методы ключевого генерирования сигналов и расширяется частотный диапазон коммутации полупроводниковых ключей как в системах усиления, так и в системах генерирования. В этой связи нельзя не упомянуть труды И.А. Попова, Э.В. Сырникова В.М. Кибакина. Во многом решающий вклад в развитие теории ключевого усиления и генерирования электромагнитных колебаний внесла школа, созданная в середине столетия в Ленинградском Политехническом институте А.Д.Артымом и его последователями (в алфавитном порядке]

A.А.Алексаняном, В.Ф.Дмитриковым, М.А.Сиверсом, С.В.Томашевичем М.А.Уткйным, а позже, их сотрудниками и учениками В.А.Александровым

B.А.Гапаховым, В.А.Майоровым, В.Н.Плюсниным и многими другими.

Одновременно с успешным опытом повышения КПД устройств за счет

применения ключевого режима и созданием на этой основе систем и средсп радиосвязи, вещания, аппаратуры специального применения стало выясняться что проблемы энергетики и качества обработки сигналов в ключеЬых устройствах находятся в тесном диалектическом единстве. Практически невозможным оказывается добиваться прогресса в улучшении качества сигнала бе: учёта энергетики и, естественно, наоборот. Следуеттакже отметить, что с по добными проблемами сталкивались специалисты, работавшие в области создания систем автоматического управления и регулирования на основе импульс ных схем. В целом же два рассмотренных направления развивались во много\ независимо, однако тенденции взаимного проникновения математических методов исследования и технических средств реализации аппаратуры со време нем усиливались. В настоящий момент трудно провести чёткую грань межд; преобразовательной техникой, во многой базирующейся на использованш принципов, заложенных в системах автоматического регулирования и усш.ите лями, созданными на основе ключевых методов в радиоэлектронике. Налищ тенденции сближения не только основных понятий, которыми оперируют этс отрасли, но и диапазонов изменения основных физических величш (напряжения, токи, мощности и частоты).

Вопросы качества преобразования сщ налов в этой связи разделились н: ряд крупных направлений. Проблемы повышения качества усиливаемых (бол© широко и исторически обоснованно-обрабатываемых) сигналов в системах i широтно-импульсной модуляцией решались Я.Д.Ширманом, Н.М.Изюмовым В.В.Малановым, Л.М.Сетюковым. Несколько позднее появились работ! М.А.Сиверса, А.А.Алексаняна, а также Н.А.Батурина, В.Н.Плюснинг В.А.Александрова, Н.Н.Слепова, А.М.Михеенко, Н.А.Ионкина, А.П.Мишачёв и Л.Е.Смольникова, В.И.Школьникова, В.Т.Пилецкого, В.Г.Чумаченко и яру гих. Несколько особняком расположены работы, затрагивающие одновременна ШИМ и АИМ, например, труды, посвященные изучению многозонной ИЙ© (A.B. Кобзев ), многоканальной ШИМ, методов исследования, общих дл

шим и АИМ. Основой для изучения показателей качества систем с импульсной модуляцией в этих работах является исследование принципа ключевой обработки и искажений, вносимых вследствии нелинейноспг операции преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность импульсов. Большая группа работ касается исследования дополнительных искажений, вносимых в системах с ключевым преобразованием неидеальностью элементов тракта (активных и пассивных ключей, трансформаторов, фильтров, нагрузки и т.п.).

Подробный анализ процессов в ключевых преобразователях с широтно-импульсной модуляцией, проведённый в отмеченных работах и проводимый в настоящей работе показывает, что на данный момент отсутствует обобщённая теория исследования показателей качества выходных сигналов широтно-импульсных преобразователей и устройств усиления и модуляции на их основе, определяемых принципом ключевого преобразования. Методы исследования искажений не охватывают широко распространённых случаев полигармоничности модуляции, воздействия на широтно-импульсный преобразователь спектральных составляющих повышенной частоты (в т.ч. соизмеримой с частотой дискретизации). Применение большинства методов оказывается затруднённым при наличии двух и более времязависящих модулируемых параметров (например, при одновременной модуляции ширины импульса и частоты следования импульсов). Ряд методик, предлагаемых различными авторами, находится зо взаимном противоречии и нередко эти противоречия носят принципиальный характер. Сказанное свидетельствует о необходимости существенного развития методов анализа искажений, вносимых шнротно-нмпульсными преобразователями и создания на этой основе эффективного инженерного инструментария (алгоритмов, программ, методик) анализа качестпа в системах с ШИМ.

Во многом аналогичная ситуация складывается и вокруг устройств генерирования сигналов на большом уровне мощности в широком диапазоне частот. Дополнительные сложности вносит то, что разработчики, связанные с созданием радиопередающей техники, используют простейшие прямоугольные напряжения и вопросы повышения качества решаются в основном фильтрацией, и, наоборот, образцы лабораторной техники, промышленно-технологические установки (источники бесперебойного питания, устройства возбуждения электроакустических преобразователей в гидроакустике и мате-риалообработке и т.п.), для которых характерны несколько более низкие рабочие частоты, используют ступенчатое приближение синусоидального сигнала, решая, таким образом, проблему качества другими путями. Спектр работ, по-свящённых проблеме энергетика-качество в этой области оказывается существенно шире, чем для усилителей с ШИМ. Вместе с тем, для широкого круга решаемых генераторной техникой проблем в обоих случаях возможно существенное обобщение теории, позволяющее анализировать структуры генераторов на основе простых критериев и с наиболее общих позиций. Подобное обобщение позволит не только выработать для 'каждой конкретной ситуации це-

лесообразную форму квазигармонического напряжения, но и разработать оптимальную по ряду важнейших параметров структуру генератора, реализующую эту форму, наметив пути повышения энергетической эффективности уже в пределах выбранной структуры.

С переходом к ключевым методам формирования сигналов при их усилении основным принципом повышения энергетической эффективности устройств стало использование всё более мощной и совершенной элементной базы. Достаточно сказать, что для МДП транзистора "совокупный" энергетиче

ский параметр, определяемый произведением / ™ JJ ß ~JU, имеет тенден цию к увеличению в 10 раз каждые 5-6 лет. Вместе с тем, для большинства ключевых устройств имеется источник энергетических потерь, на которы! улучшение технических характеристик элементной базы не оказывает суще сгвенного влияния. Этим источником являются так называемые неустранимыi сквозные токи (экстратоки), изученные совершенно недостаточно как с точю зрения общности, так и фактической достоверности исследования. Во много! это объясняется тем, что усилия исследователей и разработчиков были направ лены на борьбу с устранимыми экстратоками, снижение разрушающего воз действия которых на РЭА в диапазоне частот также явилось непростой научно технической задачей. Именно проведение дополнительных исследований, н основе которых мог бы быть предложен ряд мер по устранению вредного воз действия неустранимых экстратоков, может стать основой для существенног повышения энергетических характеристик мощной РЭА в ключевом режиме.

Рост энергетических характеристик и показателей качества усилителей ШИМ позволяет искать возможности их применения в новых режимных и аг паратных реализациях. Это обеспечивает работу таких систем как устройся раздельного ключевого усиления составляющих однополосного сигнала, улу шая, тем самым, энергетические характеристики тракгоа для одного из пе] спективных направлений радиосвязи и радиовещания, а также предполагав возможность достижения ключевыми усилителями принципиально новых, » доступных в технике классического, линейного усиления, нагрузочных хара теристик, стабильности амплитуда- и фазочастотных характеристик в условю широчайших пределов изменения импеданса нагрузки. Исследования и пра тическая реализация асинхронных режимов ШИМ, обеспечивающих достиж ние таких результатов, также может проводиться на основе обобщённых по ходов, разрабатываемых в настоящей работе.

Целью настоящей работы является развитие и совершенствование юл чевых методов усиления и формирования сигналов, обобщение н расширен методов исследования процессов в усилителях с импульсной модуляцией создание на этой основе радиопередающих устройств, научно-лабораторной промышленно-технологнческой аппаратуры, обладающих более высокими, ч< существующие, энергетическими характеристиками и показателями качества,

Основные задачи диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Развитие и обобщение методов анализа спектрального состава сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Создание инженерных методик, алгоритмов и программ расчета искажений в системах с ШИМ при любом соотношении модулирующей и тактовых частот, при полигармонических модулирующих воздействиях для модуляций любого рода, при одновременном наличии широтной и частотно-импульсной компоненты.

2. Расчет и исследование искажений, определяемых принципом ключевого преобразования, в усилителях с ШИМ I и II рода в широком диапазоне соотношений модулирующей, тактовой частоты и частоты среза демодулг-рующего фильтра. Исследование влияния на показатели качества выходного сигнала тонкой структуры спектра, создаваемой влиянием комбинационных составляющих высших гармоник тактовой частоты, и определение диапазона соотношения тактовой и модулирующей частот, в котором таковой структурой пренебречь нельзя.

3. Исследование отрицательной обратной связи (ООС) в ключевых усилителях с ШИМ. Расчет и анализ специфических искажений, сопутствующих ООС и определение предельных возможностей повышения покачателей качества с помощью обратной связи. Разработка инженерных рекомендаций по выбору параметров широтно-импульсного преобразователя и тракта с ООС в целом, способствующих минимизации искажений.

4. Ио следование асинхронных методов осуществления ШИМ. Разработка аналитических методик анализа основных параметров усилителей с асинхронной ШИМ, расчет и исследование показателей их качества. Исследование основных особенностей спектрального состава выходных сигналов усилителей с асинхронной ШИМ, определение областей целесообразного использования асинхронных методов.

5. Исследование ступенчатых квазигармонических напряжений, обладающих наилучшими по ряцу критериев показателями качества. Исследование спектров выходных сигналов генераторов ступенчатого напряжения (ГСН) без ограничивающих предпосылок симметрии и кратного (рационального) соотношения частоты дискретизации и частоты аппроксимируемого сигнала. Разработка способа построения ГСН с максимально высокими показателями качества при заданном числе ключевых элементов.

6. Разработка эффективной методики анализа показателей качества трактов раздельного усиления однополосных сигналов. Выявление основных причин искажений в трактах раздельного усиления. Расчет и анализ искажений, вызываемых раздельным и совокупным воздействием искажающих факторов. Определение предельных возможностей повышения показателей качества при заданных параметрах тракта и разработка инженсоных методик снижения искажений.

7. Исследование неустранимых экстратоков как основной причины, препятствующей повышению энергетической эффективности трактов ключевого усиления. Расчет основных характеристик экстратоков как функции параметров элементов тракта в распространенном случае соизмеримости быстродействий отпираемого и запираемого ключевых элементов. Выработка инженерных рекомендаций по снижению дестабилизирующего воздействия экстратоков в комплексе с задачей сохранения высоких показателей качества усилительных трактов.

8. Разработка способов повышения КПД передатчиков с амплитудной модуляцией, основанных на новых, энергетически более выгодных принципах осуществления АМ.

9. Практическое создание, комплексное обследование, лабораторная, опытная и промышленная эксплуатация ряда перспективных изделий, использующих ключевые режимы, для отрасли "связь" и смежных отраслей.

Методика исследований.

В основе методики исследований лежит анализ физических процессов в электронных схемах и функционирующих в них ключевых элементах с использованием теории линейных и нелинейных электрических цепей.

Конкретные методы основаны на использовании аппарата спектрального Фурье-анализа, кратных и обобщенных рядов * Фурье, теории почти-периодических функций. Широко применяются различные приемы интегрирования, например при построении' многомерных функций Каптейна в теорин полигармонической ШИМ 2, численного интегрирования на ЭВМ, теория степенных рядов в случае приближенного решения трансцендентных уравнений. В ряде случаев эффективным оказалось использование элементов теории систем автоматического регулирования (метод гармонического баланса). Ряд за-< дач, связанных с приложениями амплитудно-импульсной модуляции II рода, решен на основе теории ортогональных функций Уолша.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

Теоретические результаты, данные математического моделирования, итоги экспериментов, представленные в диссертационной работе, являются новыми. Конкретизация элементов научной новизны проведена в частных заключениях к разделам диссертации, в автореферате дается обобщенное изложение:

- достигнуты новые научные результаты в исследовании не изученных ранее явлений и процессов в ключевых усилителях. Проведен анализ воздействия этих процессов на энергетические характеристики и показатели качества устройств с импульсной модуляцией;

- существенно развиты и обобщены методы исследования процессов в ключевых схемах, созданы эффективные новые методики, позволяющие анализировать рэд важнейших физических явлений, присущих системам с импульсным п)> ¿> образованием;

- определен и доказан на основе новых методов ряд основных положений горйи функционирования ключевых устройств с приоритетным использова-ием их на практике. В диссертации защищаются: ' •

1. Обобщения и модификации метода деформации, обеспечивающие озможность спектрального анализа выходных сигналов широтно-импульсных реобразователей при любом соотношении модулирующей и тактовой частоты, также при наличии частотно-импульсной компоненты модуляции. Методики

лализа спектров сигналов с ШИМ I и И рода при полигармонической модулями.

2. Модель усилителя с ШИМ при наличии ООО, позволяющая проводить >асчет искажений с учетом совокупного воздействия комбинационных продухов преобразования на тракт прямого усиления.

3. Возможность и способы существенного улучшения нагрузочных, фазо-I амплитудно-частотных характеристик усилителей с ШИМ, основанные на трименении асинхронных режимов широтно-импульсных преобразователей. Методики аналитического исследования параметров усилителей с асинхронной НИМ.

4. Способ анализа искажений в трактах раздельного ключевого усиления ¡¡оставляющих однополосного сигнала, позволяющий получить значения амплитуд побочных спектральных составляющих в замкнутой аналитической форме. Инженерные рекомендации по расчету искажений, а также методики их снижения.

5. Методики анализа параметров неустранимых экстратоков, применимые в условиях близости быстродействий активных и пассивных ключей. Способы снижения их дестабилизирующего воздействия на усилитель.

6. Новые способы импульсного преобразования, обеспечивающие возможность достижения высокой энергетической эффективности и показателей качества разработанных классов модуляторных и генераторных узлов.

Практическая ценность работы заключается прежде всего в том, что результаты большинства проведенных в диссертации исследований послужили основой разработки, проектирования и практической реализации ряда высокоэффективных радиотехнических изделий - радиопередающих устройств, систем вторичного электропитания, лабораторной, промышленно-технологической аппаратуры. Значительная часть созданной аппаратуры находится на промышленной эксплуатации, позволяя решать новые исследовательские, технологические и хозяйственные задачи.

Значительный элемент практической ценности заложен в выявленных качественных и количественных оценках связи энергетических характеристик и показателей качества разнообразных трактов, использующих ключевое усиление, с конкретными методами организации коммутации ключевых приборов, физическими процессами в этих приборах, и доведении этих оценок до методик, применимых в инженерной практике, позволяющих анализировать, проек-

тировать и улучшать энергетику и качество разрабатываемых устройств, наделяя их новыми, недостижимыми ранее параметрами.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Проведенные в работе исследования и практические разработки позволили создать, обследовать и внедрить в промышленное использование ряд высокоэффективных радиопередающих устройств, установок для проведения лабораторных исследований, образцов промышленного и технологического оборудования.

Радиопередающие устройства внедрены:

В подразделен:- к ПР-2 СПб: ОВЧ ЧМ радиопередатчик мощностью 1 кВт (впоследствии передан • тя промышленной эксплуатации на РПЦ г. Челябинска); Серия из двух ОВЧ ЧМ передатчиков-возбудителей ПЧМ-0,5-1 и тре> передатчиков-возбудителей ПЧМ-0,5-2 и ПЧМ-0,5-2М, находящаяся на промышленной эксплуатации для обслуживания стереовещания в СПб.;

Радиопередатчики ПЧМ-0,5-1М и ПЧМ-0,2-1 внедрены на областное РПТЦг. Пскова;

Разработан, изготовлен и внедрен в ОВЧ-ЧМ вещательном передатчике "ПРУТ" малогабаритный источник электропитания, ставший прототипом прецизионных источников электропитания серии ОВЧ-ЧМ передатчйков, внедренных на объектах Минсвязи. Передатчик "ПРУТ" разработки СКБ Грозней ского радиотехнического завода рекомендован к серийному производству Го сударственной Комиссией 12.10.89.

Радиопередатчик ЗОНА мощностью 200 Вт с амплитудной модуляцие! внедрен для обеспечения радиовещания в г. Вентспилсе Латв. ССР в 1986 г. где и работает по настоящее время.

Промышленно-технологическое и лабораторное оборудование:

В НПО Автоматики и Приборостроения (Москва) внедрены: мощны? управляемый источник электропитания, используемый в качестве основы си стемы элестродуговой резки и сварки металлов с непрерывным током до 320А Мощный генератор синусоидального напряжения, используемый при произ водстве и испытаниях высокочастотных трансформаторов нового поколения.

В НПО ВНИИ ТВЧ (СПб) внедрен ряд генераторов радиочастот и систеь их электропитания, используемых для обработки и очистки материалов в неак тивных жидких средах, а также для индукционного нагрева.

В КБ Специального машиностроения (СПб) внедрена серия источнико) квазисинусоидального вторичного электропитания, использованная при созда нии измерительно-вычислительных комплексов ЦГ7007.

Ряд высокоэффективных преобразовательных устройств и систем элек тропитания на их основе внедрен на предприятиях различных министерств ] СПб и Москве (ГНЦ ЦНИИ "Электроприбор", ЦНИИ Морфизприбор, и др.).

Серия мощных источников вторичного электропитания, предназначен ных для обеспечения электропитания систем автоматики АЭС, внедрена : ЗАО "Завод Электропульт" в аппаратуре для Игналинской АЭС.

Система генераторных и усилительных устройств для проведения гидрологических исследований мирового океана суммарной мощностью 30 кВт 1недрена на предприятии АОЗТ "Мвдлтон".

Положения диссертации, непосредственно использованные при построе-ши вышеперечисленных устройств, отмечены в соответствующих актах внед->ения.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Зруевича, ч том числе нА 45,46,47,48,49 и 50 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава университета, на научных семи-аарах НИИ и промышленных предприятий, Всесоюзных и межотраслевых конференциях, посвященных создают мощной преобразовательной техники.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано более 60 работ, в том числе авторские свидетельства на изобретения, научные статьи, тезисы докладов, учебные пособия.

Объем и структура диссертационной работы.

Работа состоит из введения, пята оригинальных разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 380 стр. без актов внедрения, в том числе 350 стр. основного текста, зключая 135 рисунков. Список литературы включает 322 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел диссертации поспящен исследованию искажений, возникающих в ключевых усилителях и связанных с принципом шяротно-импульсиого преобразования.

Основой для подробного исследования искажений в усллигглях с ШИМ 1 н 2 родоз стало проведенное в работе доказательство пркмешшоспГспеци-альных методов аналнга спектроз сигналов с ШИМ,' вссхододих к теории почти периодических функций, для любого соотношения частот тактового и усиливаемого сигнала. Подобное доказательство важно не только да» обоснованного применения данных мгтодоз при кссягдоггнии ксзз^кеккИ' з цглроком диапазоне соотношений усиливаемой частоты, тактовой частоты и частоты среза демодушгрующгго фкльтрз, но н для ря,га важных праткескнх применений, оговоренных далее. Доказанная обосчоЕшшость принципов расчета спектров сигналов с ШИМ в диапазоне соотаошекйй частот поззолшга приступить к анализу искажений о усилителях с ШИМ 1 и 2 родов при малых тактовых частотах.

Показано, что при малом соотношении тактовой и усиливаемой частот в усилителях с ШИМ 1 рода возникают специфические искажения, связанные с концентрацией в сравнительно низкочастотной области с возможным проникновением в полосу демодулирующего ФНЧ комбинационных составляющих, образованных с участием высших гармоник тактовой частоты. Вид спектра в

этом случае изображен на рис.1. Эти составляющие, концентрирующиеся в районе нуля на частотной оси, могут трактоваться как субгармонические. Отметим, что истинных гармоник модулирующей частоты при ШИМ 1 рода и в этом случае не возникает. Весьма иллюстративной оказывается интерпретация концентрации составляющих в трехмерном варианте с помощью сечения по-

^ • ' ' 1 (рис.2), непрерывно отображающей дискретное множе-

верхности

ство

Т Л (якт) к

--

-- ,. 1- А. Л-.А. 1 ■ . 1 .1. .1, || .к .>. ., «.! 1 .1. ... . .

а О)

шт

Рис.1. Спектр сигнала с ШИМ 1 рода при -^-=3.14, т=1. Хорошо прослеживаются концентрирующиеся составляющие высших порядков

Рис.2. Трехмерная функция

(я*т)

[мплитуд комбинационных составляющих различных групп, плоскостями I = 3,4 и 5, где Л=к!п в формуле (1) для сигнала с ШИМ 1 рода

де Т »--период тактовой частоты; Г -длительность смодулированного

сот

гмпульса; /?, © - частота и фаза модулирующего сигнала; - глубина моду-

2*» -[яции, т = - начальный временной сдвиг импульснои последователь-

юсти; £2Ы = ксоТ + и/2; ©^ = п0-

Чем больше площадь сечения, тем выше степень концентрации состав-яющих и больше влияние на искажения высших гармоник тактовой частоты.

На временной оси процесс концентрации сопровождается явлением [робления импульсов, вообще говоря, лишающим основы неформальное при-1енение ряда методов анализа спектров. Описанные процессы могут суще-твенным образом нарушить работу трактов с ШИМ, что заставляет обращать-я к их подробному исследованию. Аналогичные исследования, проведенные ;ля ШИМ 2 рода, показыпают, что подобные процессы оказываются суще-твенным образом ослабленными: концентрация составляющих проявляется в (еньшей степени, дробления импульсов не возникает.

Значительный по объему подраздел диссертации посвящен изучению по-игармошиеских режимов широтно-импульсных преобразователей. Получены ыражения, связывающие сигналы с полигармонической модуляцией перзо-о (2) и второго ( 3) рода с амплитудами и частотами их спектральных состаз-яющих:

О)

1 1-1

1

N

2- 2 -^.^^»((катЛт*

7Г кшП/ —» Т!

О ® ® « / ¿у Л /„--«К <-7

(2)

+

+ т),

1 -/ Я 4-1

2 *

• 2 -

+

це знак обозначает произведение N функций указанного под

гаком вида.

Т '

т / * * л) N frm Я

у Ли,'-" "" "" V"п ¿2 сот ¡-I i-j ' '

/*/ ft «

2 -®r-ПЛ/™/---)sin((kar+ с

t-i

"l 1-1 я-ftA:

Показано, что полигармоничность модулирующего воздействия мож привести к заметному росту искажений и обоснована необходимость испольэ вапия полигармонических тест-сигналов при оценке показателей качест трактов с ШИМ. Рассмотрены важные приложения полигармонических мор ляций - работа усилителя при обработке полигармонической огибающей OI сигнала, работа ШИМ - преобразователя в составе стабилизирующего втори ког о источника электропитания при наличии пульсации первичной сети. Ва нейшим из рассмотренных приложений является задача о повторном прохо дешш через тракт прямого усиления полигармонической помехи, поступают по цепи обратной связи, охватывающей усилитель. Применение в этом слу* разработанных в предыдущих подразделах диссертации методик позволи связать величину специфических искажений, вызываемых применением ОС с параметрами тракта с ШИМ и демодулирующего ФНЧ:

Здесь aj -величина соответствующей побочной гармоники, вызван* введением обратной связи глубиной F, КФ - коэффициент передачи демоду. рующего ФНЧ на тактовой частоте. Анализ полученных выражений пока вает, что применение ООС в усилителях с ШИМ 1 рода, призванное свиж искажения, вызываемые различными факторами, само способно иницииров искажения, растущие с увеличением: глубины связи. Этот факт позволяет с лагь вывод о целесообразности ритмизации глубины ООС, то есть выбора < таких пределах, когда искажения, для устранения которых применена са подавлены в значительной степени, а специфические искажения, обуслоаг ныв связью, еще не велики.

Значительное внимание в первом разделе уделено разновидностям 1Ш ранее изученным слабо. Так, в ряде случаев модуляция затрагивает как пп ну, так и частоту следования импульсов. Проведен ряд модификаций мет деформации периодической импульсной последовательности, позволивший следовать спектральные составляющие сигналов н в этом случае:

ul(t)-U„Jt)(i + Odcos6X) +

+y,^rsin[nkUmaJ (t,)(l + Qd cos ox)] cos k(mat + ^ sin ox), (5) галк "

или в уточненной модели с учетом деформации фазовой оси: Ul (t) - UmJt) + l-^sm(nnu^(l))cosox +

' К SJ

"2 1 + У— sirtxkfU + — £i''Qdsin(j&U^jj(t))cosox)x

Й7ЯХ Я"

X cosk(aaJ + Д, ccsf rtQUmod (t ))sin at); (6)

T}(0-Tl(0 rr у ,

—Y—— Umodi1)~ определяет широтно-импульсную компоненту; тактовая частота a)r(t)-a0 + ad cos оХ, где С0д — девиация частоты; » <ал / со0; Q = to / (о0.

Справедливость разработанных в разделе методик подтверждается'результатами экспериментальных исследований, а также специально разработанными для иллюстрации справедливости применяемых приемов методами спектрального синтеза сигналов с широты о-импульсной модуляцией. Рис. 3 и 4 демонстрируют результаты такого синтеза. Совокупность представленных в разделе результатов исследований позволяет предложить эффективные методики инженерной оценки искажений в системах с ШИМ первого и второго рода. Ряд результатов, представляющих трехмерные зависимости коэффициента искажений от характерных частот тракта, представлен на рис. 5-10.

11

11

Рис.3.Продукт локального синтеза сигнала с ШИМ 1 рода

а (ролине синтеза от 0 до 1.5Q яри соотношении

п

=3.07

Рис.4. Модулированная последовательность при М-0.&, а>[/со~10, П=а>

' Л

11 ^ Ч.....

•• ч

• >

V

: 7

..»• П."*

Рис.5. Зависимость коэффициента нелинейных Рис.7. Зависимость коэффициента искажений от искажений от тактовой и модулирующей частот частоты среза фильтра и модулирующей часто-

приШИМ!

ты при ШИМ1

.»• г«"*

Рис.б. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от тактовой и модулирующей частот при ШИМ2

Рис.8. Зависимость коэффициента искажений о частоты среза фильтра и модулирующей часто ты при ШИМ2

Данные зависимости, подробно проанализированные в диссертационной работе, позволяют разработчикам выбирать параметры трактов, обеспечивающие приемлемые показатели качества при минимальных частотах коммутации силовых ключей усилителя, обеспечивая при этом наилучшие энергетические показатели.

■^-вй^г,.'''

Рис.9. Зависимость коэффициента нелинейных Рис.10. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от частоты среза фильтра и тактовой искажений от частоты среза фильтра и тактовой частоты при ШИМI частоты при ШИШ

Помимо значительного роста КПД применение ключевого режима работы позволяет существенно улучшить нагрузочные характеристики усилителей, особенно при работе на комплексную нагрузку и нагрузку, изменяющуюся в широких пределах. Эти функции обеспечивают асинхронные режимы работы широтно-импульсных преобразователей, допускающие охват тракта глубочайшей ООС. В работе подробно исследованы особенности сигналов с ШИМ, возникающих в таких системах, рассчитаны длительности импульсных процессов, что важно для дальнейшей оценки показателей трактов, в первую очередь, качества. Показано, что в усилителях с асинхронной ШИМ (АШИМ) присутствует частотно-широтноимпульсная модуляция, найдена зависимость частоты коммутации и амплитуды пульсаций на выходе ФНЧ усилителя от параметров тракта:

Д. = 4

<У„

■о)Л

(7)

где д и V„ нормированные величины гистерезиса и входного воздействия; [4¥

4 = я-• о (I- соответственно частота среза и затухание демодулирую-

V яг/2 ^

щего фильтра второго порядка.

Показано, что высокая стабильность нагрузочных характеристик усилителей с АШИМ достигается за счет присутствующей в них глубокой ООС. Найдена глубина этой связи:

+ (8)

Вместе с тем, выявлены причины снижения в ряде случаев показателей качества по сравнению с обычной ШИМ. Показано, что основной причиной этого снижения являются искажения, связанные с принципом ключевого преобразования, инициируемые падением средней частоты переключений ШИМ-преобразователя, равной средней частоте первой группы комбинационных составляющих с ростом как глубины модуляции, так и частоты усиливаемого сигнала:

где г - постоянная времени фильтра.

Определены границы эффективного использования усилителей с АШИМ.

Второй раздел диссертации посвящен исследованию возможностей применения амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) для повышения энергетических характеристик, улучшение показателей массо-габарита и качества ключевых генераторов. В первую очередь это касается оптимизации по ряду критериев способов формирования синусоидального сигнала на большом уровне мощности и разработке структур генераторов, наилучшим образом реализующих эти способы. Показано, что наиболее эффективным в большинстве случаев дтм построения мощных генераторов с АИМ, формирующих квазигармоническое напряжение (либо ток), оказывается разнодлительностный базис, применение которого характеризуется наличием только АИМ компоненты. При этом удается создать генераторы, позволяющие в наибольшей степени сократить сложность, массу и габарит фильтрующих систем, обеспечив при этом высокие показатели качества формируемых напряжений.

Для оптимизации алгоритма построения таких генераторов в работе привлечена теория ортогональных функций Уолша. Показано, что любой отрезок ряда Уолша, аппроксимирующий синусоидальное напряжение 00

ятах •» ^а4к+1м!а1(4к + 1,ш1), - (Ю)

здесь у/а1( 4к+1,ай ) - функции Уолша, упорядоченные по Уолшу; ] - коэффициент, определяемый по общим для ортогональных'разложений принципам, может быть представлен в виде так называемой модуляционной формЬ!

Рз(0=а1уга1(1,г)(1+а1(1+а13па1(8,ф\уа1(4,1)+адги>а1(8,1)), (11)

однозначно определяющей структуру генератора. В выражении (11) использован отрезок ряда из четырех членов. В общем случае структура (рис.11) представляет систему связанных генераторных ячеек частот, кратных 2", каче-

явенные и количественные характеристики связей между которыми определены в вдссертационной работе.

Вп

кумг.

т

40

ад

п

г

а

|ЕЬ-1

г.уи п-1

Т

о

Ш-1

I

г

^Ып-

"ъ

хуи2

т

В1

njT.il

X

Кн

Рис. 11 Схема генератора квачигармоннческого напряжения, включающего п гекератсрных ячеек

Так, например, коэффициента трансформации в схеме рис.11 определяются из соотношений:

ао' *о

а,

(12)

Таким образом, для N=3

г

N = £>, N

а, " а,

N

я

Или для N=5

К,

о, а, а,

я» = 2» N<2 я»

а5 а1

N<1 а» — — ■ п к»

ад а, О,,

Отмечено, что данный способ формирования квазйгармонического н пряжения, получивший название метода последовательной модуляции, опт мален по значительному количеству важнейших критериев, рассмотренных диссертации. Показано, например, что при его использовании достигается на: большее расширение зоны, свободной от побочных спектральных составля! щих, при минимальном количестве активных ключей, применяемых для п строения генератора.

Третий раздел посвящен одному из важнейших приложений теор| ключевого усиления - принципам эффективного построения радиопередатч ков сигналов с одной боковой полосой (ОБП), основанных на раздельном ус лении составляющих однополосного сигнала (ОПС) по методу Кана. Основ для разработки инженерной методики оценки искажений в трактах с ОБП ст ли принципы исследования, предложенные в работе для стандартного двух! нового тест-сигнала. Показано, что амплитуды побочных комбинационных с ставляющих сигнала с ОБП, вызванные искажениями в тракте и количествен характеризующие степень этих искажений, совпадают с амплитудами гармои

некоторой функции А ^(1), имеющей в ряде случаев смысл искаженной геом рической огибающей сигнала с ОБП. Смысл предложенной методики заклго

ется в выявлении искажающих факторов; построении А ^(с) для этих факт ров, действующих как раздельно, так и в совокупности и последующем гар!

ническом анализе А

Показано, что основными искажающими факторами при раздельном у лении составляющих ОПС являются:

- нелинейность тракта усиления огибающей ОПС;

- неидеальность АЧХ и ФЧХ тракта усиления огибающей;

- разность временных задержек при прохождении сигнала по граю усиления огибающей и ВЧ заполнения;

- неидеальность АЧХ тракта ВЧ заполнения.

Так, например, совместное влияние реального ФНЧ (К^щ) второго рядка и дополнительной задержки т, в тракте усиления огибающей привод!

искажениям, вызывающим появление побочных спектральных составляющих с амплитудами:

...

2к + 1 ¿,(2п+($2п-1) ■

2п+2к+1

2п-2к-1

ЬЯ.Г

л((2п + Л + /) ^ г, + Цл »^(А -2к-1) ? т, + Цл ))

т{2к + 1)£ т,

2к+1

(2п+!рп-1)

(2п+'Л + 1)" г,+Цл> -2к-1)^ г, +

2п-2к-1

(15)

В диссертации разработаны способы снижения искажений в трактах с раздельным усилением составляющих. При этом показано, что прямые способы снижения, основанные на уменьшении непосредственного влияния искажающих факторов, например, повышение линейности тракта усиления огибающей и расширение его частотного диапазона, могут успешно применяться в условиях совершенствования элементной и технологической базы построения передатчиков с ОБП. Вместе с тем, решение задачи дальнейшего повышения качества передатчиков с ОБП, обеспечивающего их применение для целей радиовещания, может быть достигнуто только применением всего комплекса мер, направленных на снижение искажений, включающего и компенсационные методы. Такими методами стали разработанные в диссертации принципы компенсации фазового разбаланса трактов, основанные на применении либо фазовой коррекции либо временной компенсации задержек. Совокупность предложенных мероприятий позволяет получить искажения на уровне -40 дБ в диапазоне частот, что вполне достаточно для обеспечения целей радиовещания.

Четвертый раздел посвящен исследованию энергетических потерь в ключевых устройствах и искажений, не связанных непосредственно с принципом ключевого преобразования. При этом основной акцент делается на исследовании влияния таких факторов, которые изучены недостаточно либо со значительными погрешностями, но в то же время оказывают весомое влияние на показатели качества либо энергетику и это влияние не может быть устранено простейшими режимными либо схемотехническими методами.

Значительное внимание в разделе уделено углубленному изучению неустранимых экстратоков, в ключевых устройствах. Эти экстратоки (иначе называемые сквозными токами) возникают в цепях, где возможно выделение кон-

туров, состоящих из генератора напряжения, транзистора (активный ключ) и диод? (пассивный ключ). Появление экстратока в момент отпирания активного ключа обеспечивается накоплением носителей в базе пассивного, находящегося к этому моменту в состоянии проводимости в соответствии с алгоритмом работы схемы. Своеобразие задачи об экстратоках заключается в следующем:

- задача имеет корректное, адекватное решение, так как процессы в полупроводниковых приборах в этом случае (например, в отличие от случая рассасывания-носителей в базе транзистора) хорошо описываются зарядовой моделью;

- решение не может быть найдено аналитически, так как дифференциальные уравнения, описывающие процессы, при решении приводят к трансцен-дентностямг

Известные подходы к решению, обоснованные, прежде всего представи-телзми Ленинградской политехнической школы, удовлетворяющие разработчиков на заре развития мощной преобразовательной техники, совершенно не применимы сейчас, гак как основаны на весьма грубых приближениях, не учитывающих специфику современной элементной базы.

В разделе получены приближенные решения трансцендентных уравнений, основанные на приемлемых допущениях

иЬ.<лг, (16)

дающие уточненные параметры экстратоков

4

PT'*ßI,Td (17)

»г * «ж -*\'<taj "km _ Ьпл

N г, 1

в условиях распространенного случая близости характерных постоянных времени активного и пассивного ключей. Здесь г, ,zA- характерные постоянные времени транзистора и диода в рассматриваемом режиме; N, - степень форсирования отпирания и максимально возможный ток коллектора транзистора; /- частота коммутации; Е - напряжение коллекторного питания.

Возможно дальнейшее уточнение значения длительности сквозного тока и значений величин, непосредственно связанных с этим параметром, однако при этом должны быть наложены более жесткие ограничения »г 3{тл + г У

физический смысл которых менее очевиден, чем математическая целесообразность. В этих условиях tg, оказывается действительным корнем уравнения

t-fk.+nkb+^.o (19)

я также легко определяется аналитическим путем.

Изложенное позволило сформулировать положения инженерной методики, направленной на снижение неблагоприятного воздействия экстратоков. Суть методики заключается в следующем:

выявляются фрагменты схемы, включающие контуры, описанные в начале подраздела;

исходя из алгоритма коммутации ведется поиск моментов, когда одновременно наблюдаются процессы запирания пассивного и отпирания активного ключа в контуре;

применяются представленные вычислительные методики; если параметры экстратока оказываются выходящими за рамки допустимого, используются методики его снижения, представленные в диссертации.

Наличие источников энергопотерь на всех стадиях преобразования энергии в радиопередающих устройствах с амплитудной модуляцией (источник электропитания, модулятор, генератор РЧ), заставляет искать способы построения радиопередатчиков с уменьшенным до двух или даже до одного количеством раз преобразования энергии. В диссертации представлен ряд эффективных способов построения ключевых радиопередатчиков, реализующих этот принцип, отмечены преимущества, недостатки, особенности практической реализации каждого принципа. В отдельный класс устройств выделены модулируемые источники вторичного электропитания - модуляторы-регуляторы с бестрансформаторным сетевым электропитанием, предложен метод осуществления АМ многоканальным ШИМ - стробирсванием системы РЧ генераторов, обладающий рядом преимуществ, свойственных ШИМ и АИМ.

Значительное внимание а разделе уделено вопросам повышен!« качесг а преобразования энергии в усилителях с ШИМ. Из большого числа факторов, вызывающих искажения, выделены те, которые характеризуются заметной общностью, повторяемостью, но, вместе с тем, изучены недостаточно. Так, например, впервые указано на наличие специфических искажений в преобразователях, использующих многообмоточные магннтосвязанные дроссели демоду-лирующего ФНЧ, оценена величина этих искажений на примере широка распространенной схемы Мак-Лимана, при этом получено выражение для статической характеристики

«'-7ЙГГ-

где г„=—; Ы2 = Nl (1 + а)- число витков обмоток дросселя; ин- нормиро-*

ванное напряжение на нагрузке, в отсутствие дополнительной магнитосвязанной обмотки равное тл

Другой ранее не изученный вид искажений характерен для мостовых модуляторов - регуляторов и обусловлен снижением частоты комбинационных составляющих ШИМ при дополнительных преобразованиях, свойственных этому типу устройств. Подробно исследованы искажения, обусловленные пре-

крагцением тока дросселя демодулирующего ФНЧ в динамическом режиме. Показано, что в ряде случаев, например, в однотактных модуляторах, этот вид искажений может стать определяющим.

Практическое использование методов улучшения энергетических характеристик и показателей качества устройств, использующих ключевые методы усиления, совместно с основными принципами их построения, обоснованными в предыдущих разделах, позволило создать, обследовать и внедрить в промышленную эксплуатации» ряд высокоэффективных изделий различного целевого назначения: радиопередатчиков, источников вторичного электропитания, генераторов, образцов промышленно-технической аппаратуры. Их краткому описанию посвящен пятый раздел и приложения.

Содержание диссертационной работы направленно на решение крупной научно-технической задачи повышения энергетической эффективности и показателей качества радиопередающих, усилительных устройств, систем вторичного электропитания в ключевом режиме, имеющей большое народнохозяйственное значение. Использование разработанных и внедренных изделий позволяет по-новому, с большей эффективностью решать важнейшие научные, технические и хозяйственные задачи. Подробные выводы и практические рекомендации, обусловленные результатами исследований, представлены в последних параграфах разделов.

Заключение.

В настоящей диссертационной работе :

1. Существенно развита теория широтно-импульсной модуляции. Модифицированы и обобщены методы спектрального анализа сигналов с широтно-импульсной модуляцией, лежащие в основе исследования искажений в трактах с ШИМ, обусловленных принципом ключевого преобразования:

- доказана эквивалентность и практическая применимость методов деформации и кратных рядов Фурье для анализа спектров сигналов с ШИМ при любом соотношении модулирующей и тактовой частот;

- исследованы особенности функционирования широтно-импульсных преобразователей при высоких модулирующих частотах, выявлены причины резкого роста искажений, обусловленных обнаруженным явлением концентрации побочных спектральных составляющих. На этой основе исследованы особенности применения отрицательной обратной связи в усилителях с ШИМ, показано, что введение ООС является источником специфических дополнительное искажений и рассчитаны значения этих искажений, обоснована необходимость оптимизации глубины связи, исходя из требования минимизации искажений;

- подробно изучены полигармонические режимы широтно-импульсных преобразователей I и П рода. Определены амплитуды и частоты спектральны> составляющих для любого числа тонов модулирующего (усиливаемого) сигнала. Показано, что при усилении полигармонического сигнала возможно увеличение уровня искажений по сравнению с таковым, полученным при нспользо-

вании стандартного моногармонического тест-сигнала. Обоснована целесообразность использования полигармонических сигналов при тестировании передатчиков, использующих тракты с ШИМ;

- исследованы искажения, вносимые нелинейностью ШИМ-преобра-зования I и II родов в широком диапазоне изменений тактовой, модулирующей частот и частоты среза демодулирующего фильтра. Полученные практические результаты использованы в инженерной методике оперативной оценки показателей качества трактов.

2. Доказана возможность существенного улучшения энергетических характеристик ключевых генераторов и повышения качества формируемых напряжений путем применения ступенчатых квазигармонических напряжений:

- проведен структурный синтез генератора ступенчатого напряжения для любого числа ступеней на основе разработанного метода последовательной модуляции с использованием для синтеза ортогонального базиса функций Уолша. Показано, что предложенный способ позволяет получить в равноугло-вом базисе минимальные искажения и максимальную свободную от побочных спектральных составляющих зону при заданном общем числе мощных ключевых элементов в генераторе, решив таким образом одну из важнейших задач оптимизации структуры генератора. Впервые получены качественные и обобщенные количественные характеристики связей в системе ячеек генератора, обеспечивающие синтез по предложенному алгоритму;

- исследованы энергетические характеристики генераторов ступеячатых напряжений. Показано, что при использовании резонансной нагрузки мини-матьные потери обеспечивают генераторы, построенные по методу последовательной модуляции, позволяющему в ряде случаев полностью избежать режимов, для которых характерно наличие неустранимых экстратоков. Показано также, что использование ступенчатых напряжений способствует улучшению энергетических характеристик при комплексных нагрузках, что может в ряде практических случаев (возбуждение пьезоакустических преобразователей, реализация амплитудной модуляции дефазированием и др.) способствовать значительному повышению КПД.

3. Разработана методика исследования искажений в системах раздельного усиления составляющих однополосного сигнала, ориентированная, в первую очередь, на использование применительно к ключевым трактам усиления:

- показано, что исследование искажений, определяемых целым рядом факторов, может проводиться на основе спектрального анализа специфической для каждого случая искажающей функции, что оказывается существенно проще и эффективней, чем расчет высокочастотных побочных комбинационных составляющих однополосного сигнала;

- выявлен ряд основных искажающих факторов и разработаны инженерные методики оценки определяемых ими искажений. Рассчитаны величины искажений как для раздельного, так и для совокупного воздействия факторов;

- разработаны способы снижения искажений в трактах раздельного усиления. Даны рекомендации как по снижению искажающего воздействия каждого фактора, так и по применению временной и фазовой коррекции искажений, определяемых наиболее значимыми факторами;

- показано, что совокупное применение разработанных мер по снижению искажений позволяет в условиях рационального использования современной элементной базы получить уровни комбинационных составляющих ниже нормируемых ГОСТ, что оказывается достаточным для большинства практических применений;

- выявлены особенности функционирования ключевых модуляторов при усилении .сигнала огибающей, полигармоническом уже при простейшем двух-тоновом тесте. Показано, что в ряде случаев полигармоничность усиливаемого сигнала огибающей может привести к росту искажений, возникающих за счет ключевого преобразования.

4. Исследовано явление неустранимых экстратоков для широкого кругг узяов ключевой (усилительной, модуляторной) аппаратуры:

- показано, что характерная для современной элементной базы близосп постоянных времени входных цепей активного ключа и накопления пассивногс требует пересмотра общепринятых методик оценки параметров экстратоков, ж отражающих специфики реально протекающих процессов;

- рассчитаны основные параметры экстратоков, при этом показано, что I типичных условиях высоких степеней форсирования отпирания активных ключей уже при малых постоянных накопления могут наблюдаться экстратою значительной величины;

- выявлены неисследованные ранее возможности протекания зкетрато-кое, разработана инженерная методика оценки параметров экстратокоз в кои: кретных устройстзах и эффективной борьбой с ними.

5. Исследованы высокоэффективные методики осуществления амплитуд ной модуляции в ключевых передатчиках, обладающие энергетическими пре имуществами перед традиционной для ключевого режима схемой ШИМ-АМ Показано, что в ряде случаев повышения КПД всего тракта можно добиться:

- использованием модуляторов-регуляторов с непосредственным сетевьн электропитанием, объединяющих в себе функции ВИП и высококачественной коллекторного модулятора;

- использованием трактов с наличием гальванической развязки лишь вы ход1шми РЧ трансформаторами;

- использованием модуляции дефазированием с применением ключевы: методов усиления, в первую очередь, квазигармошгческих колебаний;

• использованием модуляции многоканальным ШИМ - стробирование» системы Р Ч генераторов.

6. Созданы и обследованы перспективные образцы радиопередающее техники, лабораторной, промышленно-технологической аппаратуры, уст ройства и системы электропитания РЭА.

Большинство образцов разработанной техники внедрены в промышлен-гую эксплуатацию, ряд выпускается серийно.

Ряд научно-технических достижений, новых результатов, изложенных в мстоящей диссертационной работе, позволил существенно повысить энергетические характеристики и показатели качества целого ряда классов мощных ключевых радиотехнических устройств. В настоящем заключении целесооб-зазно подвести краткий итог : какие научно-технические результаты способ-:твовали этому повышению, на сколько и в каких конкретных устройствах ждалось улучшить КПД и показатели качества. Одним из основных практиче-:ких результатов спектральных исследований, получивших отражение в первом разделе, стали обобщенные рекомендации по выбору соотношения такто-зой частоты и частоты среза демодулирующего ФНЧ в зависимости от полосы частот, занимаемых модулирующим (усиливаемым) сигналом. Использование этих результатов позволяет оперативно оценивать искажения с учетом комбинаций, порождаемых высшими гармониками тактовой и улучшать показатели качества оптимизацией выбора характерных частот. Результаты обследования обнаруженного явления концентрации побочных спектральных составляющих в низкочастотной области предупреждают разработчиков о возможности нарушения функционирования усилительных трактов, использующих разделительные конденсаторы и трансформаторы гальванической развязки. Так, учет этих явлений при проектировании модулятора-регулятора передатчика ПСЧ-1 позволил повысить КПД на 3 - 5% и снизить искажения в полтора-два раза. Дополнительное снижение искажений возможно с учетом рекомендаций оптимизации глубины отрицательной обратной связи, обоснованных в диссертации. При проектировании передатчиков ЗОНА-СВ было замечено, что увеличение глубины связи с8 - 12 до 14 - 16 дБ еще не ухудшает устойчивость работы, но приводит к росту искажений в тех частотно-амплитудных границах вменений модулирующего сигнала, где в отсутствие связи искажения были невелики. Оптимизация связи в этом случае позволила полностью удовлетворить требованиям, определяемым ГОСТ.

Результаты исследования полигармонических режимов преобразователей с ШИМ получили применение при разработке синхронизированных источников мощного вторичного электропитания ОВЧ-ЧМ передатчиков ПЧМ-0.5 при питании от нефильтрованного выпрямленного трехфазного напряжения первичной сети. Оптимизация выбора тактовой частоты позволила в этом случае повысить КПД источника с 91 до 93%, обеспечив, тем не менее, степень электромагнитной" совместимости с прецизионными узлами передатчика, позволяющую удовлетворить требованиям ГОСТ на качество.

Принципы, заложенные в методике построения генераторов ступенчатого напряжения, позволяют разрабатывать устройства, отличающиеся недостижимыми ранее показателями, сочетанием широкодиапазонности, малого габарита и массы, высокого КПД и хороших показателен качества. Использование результатов диссертации позволило на 10 - 15% (с 75 до 90%) повысить КПД ге-

кераторов, возбуждающих пьезоакустические преобразователи при сокращении габарита в 1,5-2 раза (соответственно с 35 - 40% до 85. - 90% и в 6 - 7 раз по сравнению с неключевыми аналогами). Использование многоступенчатых напряжений в генераторах с автоматическим переключением числа ступеней г.бсспечило 16-ти кратное перекрытие по частоте перестраиваемого генератора, дослуживающего нагрузку с выраженной реактивной составляющей. При этом промышленный КПД генератора достиг 92 - 94%, а массогабаритные показатели улучшились на порядок по сравнению с аналогами в неключевом режиме, при выполнении требований по содержанию высших гармоник в спектре вырабатываемых напряжений (не более 10%).

Экспериментальные исследования, базирующиеся на результатах анализе принципов повышения энергетической эффективности и показателей качества трактов раздельного усиления составляющих однополосного сигнала, подтвер дали принципиальную возможность создания таких трактов с КПД, не усту пающим достигнутому в АМ ключевых передатчиках. Показатели качеств, трактов раздельного усиления могут в условиях применения современны: ключевых методов усиления и элементной базы приближаться к требования) ГОСТ, при этом использование результатов и рекомендаций диссертацю улучшает их на 8 -12 дБ. Применение разработанных методик снижения иска жений позволяет дополнительно уменьшить уровень побочных комбинации) ных составляющих примерно в этой же степени, делая достижение уровня 40дБ вполне реальным.

Значительное повышение КПД любых ключевых устройств может быт достигнуто на основе разработанных методов борьбы с неустранимыми экстр! токами. Так, весь комплекс мер, предусмотренный в мощных источниках эле) троиитания ОВЧ-ЧМ передатчиков н ОВЧ передатчиков - возбудителей, позв< лил достичь КПД 91 - 92% в первом случае и 91 - 93,5 во втором, что сущ ственно упростило системы вентиляции и охлаждения, повысило надёжное! устройств. В полной мере противоэхетратоковые мероприятия применял» при создании образцов мощного технологического и сварочного оборудовани внедрённого в Московском НПО Автоматики и приборостроения. Так, в мо товых ячейках сварочного аппарата снижение экстратоков достигнуто: опт мизацией выбора выпрямительных, рекуперативных и противонасыщающ! диодов; многообмоточными фильтрующими дросселями; целесообразным у! личением задержек переключения с целью рекомбинации носителей в прот вонасыщающем диоде мостовых преобразователей с фазо-импульсной моду; цией. Это позволило не только увеличить энергонасыщенность до 400 Вт/д но и поднять КПД до 92 - 94% в зависимости от режима резания (сварки)» таллов.

Ряд научных положений и технических приёмов продолжает исполь ваться во вговь разрабатываемой аппаратуре.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Алексанян A.A., Галахов В.А., Никитин К.К. и др. Ключевой средне-юлновый радиовещательный передатчик мощностью 200 Вт// Радиотехника. 989. N 5. С. 26-27. .

2. Алексанян A.A., Галахов В.А., Никитин К.К. и др. Ключевой СВ ра-(иовещательный передатчик мощностью 50 Вт// Радиотехника 1988. N 10. С. 16-27.

3. Никитин К.К. и др. Расчет искажений при раздельном усилении составляющих однополосного сигнала// Техн. средств связи. Сер.: ТРС. 1982. Зып. 8. С. 120-123.

4. Никитин К.К. Автореф. дис.... канд. техн. наук. /ЛЭТИ. Л., 1984.

Никитин К .К. Особенности расчета спектров сигналов с ШИМ I и П

юда// Техн. средств связи. Сер.: ТРС. 1988. Вып. 5. С. 47-52.

6. Никитин К.К., Афанасьев А.И. Методические указания к выполнению сонтрольных работ по курсу "Проектирование и техническая эксплуатация >ПдУ"/ЛЭИС. Л., 1989.

7. Никитин К.К. и др. Обратная связь в передатчиках с ключевой коллек-горной модуляцией//Электросвязь. 1989. N 10. С. 37-41.

8. Никитин К.К. и др. Нелинейные искажения ключевых усилителях с обратной связью. /ЛЭИС. Л., 1986. Деп. в ВИНИТИ N 6275-В86.

9. Никитин К.К., Васюков В.В. Анализ искажений квазигармонического :игнала, вызванных фазовой асимметрией его составляющих// Изв. ВУЗов "ССР. Радиоэлектроника. 1990. N11. С. 51-52.

10. Никитин К.К. и др. Высокоэффективный ВИП с бестрансформаторным входом// Радиотехника. 1989. N11.

11. Никитин К.К., Васюков В.В. Работа генераторов ступенчатого напряжения на активно-емкостную нагрузку// Электросвязь. 1990. N 6. С. 15-17.

12. Никитин К.К. и др. Качество выходных напряжений импульсных вторичных источников электропитания// Судостр. пром. Сер.: Общ~гехн. 1990. Вып. 27. С. 57-63.

13. Никитин К.К., Васюков В.В., Иванилов В.К. Синтез оптимального квазигармонического сигнала в равнодлительностном базисе// Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1991. N5 С.109-110.

14. Никитин К.К., Иванилов В.К. Два мощных регулятора и их анализ// Радиотехника. 1991. N 2. С. 89-90.

15. Никитин К.К. и др. Модуляция дефазированием квазигармонических напряжений//Изв. ВУЗов СССР. Радиоэлектроника. 1991. N 9. С. 81-82.

16. Никитин К.К., Васюков В.В. Оптимизация спектрального состава квазигармонического сигнала выбором его структуры/ Рук. деп. ВИНИТИ N1806СВ. Реф. опубл. в Электросвязи. 1991. N 5.

17. Никитин К.К. и др. Эффективность подавления пульсаций сетево частоты в импульсных ВИЛ с бестрансформаторным входом// Техн. средст связи. Сер.: СВЭП. 1990. N 1. С. 84-89.

18. Никитин К.К., Буянов А.П., Иванилов В.К. Современная полупровод никовая элементная база широкого применения и опыт ее использования ИВЭП.//У1 Всесоюзная межотраслевая научно-техническая конференция п системам вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Те: докл./Л., 1990. С. 140-141.

19. Никитин К.К. и др. Опыт разработки ряда унифицированных мног< функциональных ИВЭП с повышенными энергетическими, надежностными качественными показателями. Там же. С. 100-101.

20. Никитин К.К., Буянов А.П., Иванилов В.К. Мощный управляемы ИВЭП в качестве амплитудного модулятора передатчика. Там же. С. 63-64.

21. Никитин К.К. и др. Эффективные вторичные источники квазисин; соидальных напряжений. Там же. С. 65-66.

22. Никитин К.К. и др. Мощный управляемый ВИП в качесп АМ-модулятора// Техн. средств ¿связи. Сер.: СВЭП. 1991. Вып. 2. С. 4&.

23. Никитин К.К. и др. Эффективные вторичные источники квазисин; соидальных напряжений. Там же. С. 41.

24. Никитин К.К. и др. Сравнительный аналиг эффективности ключевь элементов в широком диапазоне напряжений, токов, мощностей и частот. Та же. С. 70.

25. Никитин К.К., Модаббес С.М. Оценка искажений при раздельнс усилении составляющих однополосного сигнала// Техн. средств связи. Се) СВЭП. 1992. Вып. 2. С. 35.

26. Никитин К.К., Иванилоа В.К. Важный случай анализа сквозных тою в ключевых устройствах. Там же. С. 31;

27. Никитин К.К. и др. Использование схемы Мак-Лимана и ее модул ционная нелинейность. Там же. С. 46.

28. Никитин К.К. и др. Анализ случаев малых тактовых частот в упрг ляемых ИВЭП с импульсным преобразованием. Там же. С. 25.

29. Никитин К.К., Васюков В.В., Майоров В.А. Энергетические характ ристики генератора ступенчатого сигнала в диапазоне частот// Судостр. прс Сер.: Общетехн. 1992. Вып. 37. С. 96.

30. Никитин К.К. и др. Оптимальное построение ключевого генерато квазигармонического сигнала// Сб. науч. тр. учеб. завед. связи. ГЭИС. С1 1992. N 156. С. 87-91).

31. Никитин К.К., Иванилов В.К. Эффективность метода последовате.) ной модуляции при синтезе квазигармонических напряжений.//45 НТК: Т докл. /СПбГУТ. СПб, 1992.

32. Никитин К.К., Буянов А.П., Модаббес С.М. Специфические иска* ния в трактах огибающей ОБП сигнала. Там же.

33. Никитин К.К., Модаббес С.М. Анализ искажений огибающей однополосного сигнала при реализации метода Кана в РПдУ. Там же.

34. Никитин К.К., Комолов Я.Е., Буянов А.П. Спектральный анализ и синтез импульсных сигналов. Там же.

35. Никитин К.К. и др. Полностью полупроводниковый СЧ вещательный передатчик ПСЧ-1. Там же.

36. Никитин К.К. и др. Семейство высокоэффективных встроенных источников вторичного электропитания. Там же.

37. Никитин К.К. и др. Практическая разработка мощных широкодиапазонных транзисторных генераторов в ключевом режиме. Там же.

38. Никитин К.К. и др. Резонансная нагрузка генераторов квазигармонических напряжений и токов высокой частоты. Там же.

39. Никитин К.К., Смирнов А.Н., Буянов А.П. Спектральный анализ и синтез сигналов с различными видами широта о-импульсной модуляции. //46 НТК: Тез. докл. /СПбГУТ. Спб, 1993.

40. Никитин К.К. и др. Спектральный анализ ступенчатой аппроксимации произвольного сигнала. Там же.

41. Никитин К.К.,Алексанян A.A. Применение приближенных методов для расчета искажений в усилителях с адаптивной ШИМ// Радиотехника. 1982. N8. С. 30-33.

42. Никитин К.К.,Алексанян A.A., Пяюснин В.Н. Устойчивость усилителей класса D//Изв. ВУЗов СССР. Радиоэлектроника. 1981. Т. 24. С. 87-88.

43. Никитин К.К., Алексанян A.A., Галахов В.А. Нелинейные и фазовые искажения в ключевых усилителях с обратной связью// Изв. ВУЗов СССР. Радиоэлектроника. 1982. N 11. С. 41-45.

44. Никитин К.К., Алексанян A.A., Галахов В.А. Влияние нагрузки на искажения в ключевых УНЧ// Техника средств связи. Сер.: ТРС. 1982. Вып. 8. С. 120-123.

45. Никитин К.К., Алексанян A.A., Галахов В.А. и др. Анализ спектрального состава выходных сигналов усилителей с адаптивной вгарот-но-импульсной модуляцией// Вопросы судостроения. Сер.: Общетехн. 1981. Вып. 60, С. 60-63.

46. Никитин К.К., Алексанян A.A., Галахов В.А. Спектр сигнала с ШИМ при полигармоническом модулирующем воздействии// Радиотехника. 1983. N З.С. 62-64.

47. Никитин К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н. Исследование спектральной плотности1 сигналов с ШИМ 1 рода. //47 НТК: Тез. докл. /СПбГУТ. СПб, 1994.

48. Никитин К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н. Инженерная методика анализа диодно-транзисторных схвозных токов в' мощных ключевых устройствах. Там же.

49. Никитин К.К,, Буянов А.П., Смирнов А.Н. Амплитудная модуляция многоканальным ШИМ-стробированием системы ВЧ генераторов. Там же.

50. Никитин К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н., Обухов С.Б. Новый мо ный вторичный источник электропитания для РЭА. //48 НТК: Тез. до! /СПбГУТ. СПб, 1995.

51. Никит!'-: К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н. и др. Полностью полущ водниковьш ОВЧ 4M передатчик мощностью 500 Вт. Там же.

52. Никитин К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н. О пользе трехмерт представлений спектральной плотности сигналов с шиоотно-импульсной мoj¡ ляцией. Там же.

53. Никитин К.К., Смирнов А.Н. Полигармоническая ШИМ 2 рода// С науч. тр. уч.завед. связи ( ГУТ. Спб. 1995. N 160. С. 122-126).

54. Никитин К.К. и др. Полностью полупроводниковый ОВЧ-ЧМ пер датчик-возбудитель мощностью 500 Вт. //49 НТК Тез. докл. /СПбГУТ. СП 1996.

55. Никитин К.К., Смирнов А.Н. Модификация метода деформации п риодической импульсной последовательности применительно к расчету спе тров сигналов с широтно-импульсной модуляцией. Там же.

56. Никитин К.К. и др. Опыт создания мощного технологического об рудования в студенческом проектно-конструкторском бюро университета. Тг же

57. Никитин К.К. и др. Мощные ключевые генераторы и усилители до целей гидроакустики. //50 НТК Тез. докл. /СПбГУТ. СПб, 1997.

58. Никитин К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н. Импульсная модулящ при одновременном наличии широтно-импульсной и частотно-импульснс компонент. Там же.

59. Никитин К.К., Буянов А.П., Смирнов А.Н. Годичный опыт работ ОВЧ-ЧМ возбудителя ПЧМ-0.5-2М совместно с умощнителем 10 кВт кг. ламг ГУ-34!, на РПЦ jYal ГПР-2. Там же.

60. Никитин К.К. и др. Система электропитания тренажера Игналинско АС. Там же.

61. A.c. 885935 СССР. Устройство контроля линейности однополярног усилителя/ Никитин К.К. и др. 1981.

62. A.c. 1029397 СССР. Усилитель мощности класса D/ Никитин К.К.

1983.

63. A.c. 951644 СССР. Усилитель с адаптивной широтно-импульсной мс луляцией/ Никитин К.К. и др. 1982. Бюл. N 30.

64. A.c. 1058026 СССР. Двухтактный усилитель класса D/ Никитин К.К и др. 1983. Бюл. N44.

65. A.c. 1073878 СССР. Усилитель класса D/ Никитин К.К. и др. 1984 Бюл. N 6.

66. A.c. 1363436 СССР, Усилитель с широтно-импульсной модуляцией Никитин К.К. и др. 1987. Бюл. N 48.

67. А.с. 1683157 СССР. Преобразователь постоянного напряжения в пе-менное квазисинусоидальное напряжение/ Никитин К.К. и др. 1991. Бгол. N