Ключевой усилитель с формирователем ступенчатого напряжения

 

Использование: в радиопередающих устройствах в качестве модулятора. Сущность изобретения: устройство содержит многоуровневый компаратор, формирователь ступенчатого напряжения, а также дополнительный ключевой усилитель, выходное напряжение которого имеет положительную полярность. Новым является то, что вход многоуровневого компаратора подключен к выходу сумматора, на один из входов которого поступает усиливаемый сигнал, а к другому подключен источник отрицательного смещения, благодаря чему при реализации связи с помощью дополнительного ключевого усилителя происходит компенсация как положительных, так и отрицательных отклонений выходного напряжения устройства от формы усиливаемого сигнала, чем достигается снижение нелинейных искажений. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах в качестве модулятора.

Использование ключевых модуляторов позволяет снизить массу и габариты передатчиков, уменьшить потребление электроэнергии, кроме того, такие модуляторы могут применяться для повышения энергетической эффективности однополосных радиопередатчиков.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является ключевой усилитель, который содержит формирователь ступенчатого напряжения (ФСН), к соответствующим входам которого подключены выходы многоуровневого компаратора, таким образом, что очередной скачок напряжения на выходе ФСН (ломаная 1 на фиг. 1) происходит в момент времени, когда усиливаемый сигнал 2 превысит определенный уровень, т. е. напряжение на выходе ФСН грубо воспроизводит усиливаемый сигнал, поэтому ФСН может быть реализован на мощных полупроводниковых приборах, обладающих ограниченным быстродействием. Точное отслеживание формы усиливаемого сигнала осуществляется с помощью дополнительного ключевого усилителя на быстродействующих полупроводниковых приборах, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), выходное напряжение 3 которого (см. фиг. 1) суммируется с выходным напряжением ФСН, суммарное напряжение фильтруется фильтром низкой частоты, а на вход дополнительного усилителя подается сигнал ошибки, который характеризует отклонение грубого ступенчатого напряжения от формы усиливаемого сигнала.

Однако дополнительный усилитель имеет выходное напряжение лишь одной полярности, поэтому, если в силу тех или иных причин в какие-то моменты времени ступенчатое напряжение 1 окажется больше требуемого значения 2, напряжение на выходе дополнительного усилителя будет равно нулю, т. е. форма выходного напряжения модулятора будет отличаться от 2. Причиной подобных искажений, в частности, являются задержки переключения полупроводниковых приборов, входящих в состав ФСН. На фиг. 1 пунктиром (4) показана форма выходного напряжения ФСН с учетом задержек переключения. Заштрихованные области на фиг. 1 характеризуют искажения выходного сигнала.

Целью изобретения является снижение нелинейных искажений выходного сигнала.

Это достигается тем, что в ключевом усилителе с формирователем ступенчатого напряжения, состоящем из многоуровневого компаратора, выходы которого подключены к соответствующим входам формирователя ступенчатого напряжения, выход (положительный отвод) которого через делитель напряжения соединен с инвертирующим входом схемы разности, отрицательный отвод формирователя ступенчатого напряжения заземлен, выход схемы разности через оптическую развязку подключен к входу дополнительного ключевого усилителя, причем выход формирователя ступенчатого напряжения соединен также с отрицательным выходным зажимом дополнительного ключевого усилителя, положительный выходной зажим которого через фильтр низкой частоты подключен к заземленной нагрузке, в схему дополнительно введены сумматор и источник отрицательного смещения, неинвертирующий вход схемы разности соединен с первым входом сумматора, который является входом для усиливаемого сигнала, вход многоуровневого компаратора подключен к выходу сумматора, к второму входу сумматора подключен источник отрицательного смещения.

Введение новых признаков влечет за собой новые свойства усилителя, заключающиеся в том, что напряжение 5 на входе многоуровневого компаратора (фиг. 2) и соответственно выходное напряжение 1 ФСН оказываются сдвинутыми по уровню в сторону отрицательных значений относительно усиливаемого сигнала 2 на величину ₁, определяемую источником смещения. При этом требуемая величина сигнала на выходе усилителя (2) оказывается всегда больше напряжения на выходе ФСН (1), поэтому выходной сигнал может в любые моменты времени восстанавливаться однополярным дополнительным усилителем.

На фиг. 1 приведены эпюры напряжений, характеризующие работу устройства, являющегося прототипом; на фиг. 2 - эпюры напряжений, характеризующие работу устройства по изобретению; на фиг. 3 - функциональная схема предлагаемого усилителя.

Функциональная схема (фиг. 3) включает формирователь 1 ступенчатого напряжения, многоуровневый компаратор 2, дополнительный ключевой усилитель 3, фильтр 4 низкой частоты, нагрузку 5, делитель 6 напряжения, схему 7 разности, сумматор 8, источник 9 отрицательного смещения и оптическую развязку 10.

При этом выходы многоуровневого компаратора 2 подключены к соответствующим входам формирователя 1, выход (положительный отвод) которого через делитель 6 соединен с инвертирующим входом схемы 7, отрицательный отвод формирователя 1 заземлен, выход схемы 7 подключен через элемент оптической развязки 10 к входу дополнительного ключевого усилителя 3, причем выход формирователя 1 соединен также с отрицательным выходным зажимом дополнительного ключевого усилителя 3, положительный выходной зажим которого через фильтр 4 подключен к заземленной нагрузке 5, неинвертирующий вход схемы 7 соединен с первым входом сумматора 8, который является входом для усиливаемого сигнала, вход многоуровневого компаратора 2 подключен к выходу сумматора 8, а к второму входу сумматора 8 подключен источник 9 отрицательного смещения.

Устройство работает следующим образом.

Входное напряжение усилителя U_вх, смещенное в сумматоре 8 на величину ₁, определяемую источником 9 (см. фиг. 2), поступает на вход многоуровневого компаратора 2. Когда напряжение на входе многоуровневого компаратора превосходит какой-либо из уровней срабатывания, на соответствующем выходе многоуровневого компаратора появляется сигнал, включающий определенную ячейку, входящую в состав ФСН 1, благодаря чему в напряжении на выходе ФСН появляется очередная "ступень" величиной ₂ (см. 1 на фиг. 2).

Выходное напряжение ФСН через делитель 6, приводящий уровень (размах) этого напряжения к уровню входного сигнала, поступает на инвертирующий вход схемы 7, на неинвертирующий вход которой поступает несмещенный входной сигнал. Сигнал ошибки с выхода схемы разности (на фиг. 2 он характеризуется заштрихованной областью) поступает на вход дополнительного ключевого усилителя 3. Выходное напряжение этого усилителя суммируется с выходным напряжением ФСН и через фильтр 4 поступает на нагрузку 5, роль которой играет оконечный каскад радиопередатчика. Оптическая развязка 10 необходима потому, что зажимы усилителя 3 находятся под "плавающим" потенциалом относительно земли.

Из фиг. 2 видно, что сигнал ошибки (заштрихованная область) в любые моменты времени может воспроизводиться дополнительным ключевым усилителем, напряжение на выходе которого имеет положительную полярность. Величину отрицательного смещения, поступающего от источника 9 целесообразно выбирать из условия ₁= (0,5-1) ₂ , ₂- величина ступеней на выходе ФСН (речь идет об относительных величинах, т. к. напряжения на входах схемы разности приводятся к одному масштабу). Соответственно, размах напряжения на выходе дополнительного усилителя должен составлять (1,5-2) ₂.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется тем, что благодаря ему удается по сравнению с прототипом снизить нелинейные искажения сигнала на выходе радиопередатчика, следовательно, улучшить качество сигнала, принимаемого радиоприемными устройствами. (56) Патент ФРГ N 3044956, кл. H 03 F 3/217, 1981 (прототип).

Формула изобретения

КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ С ФОРМИРОВАТЕЛЕМ СТУПЕНЧАТОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий многоуровневый компаратор, выходы которого подключены к соответствующим входам формирователя ступенчатого напряжения, выход которого соединен с опорным входом дополнительного ключевого усилителя и через делитель напряжения - с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого является входом ключевого усилителя с формирователем ступенчатого напряжения, при этом информационный вход дополнительного ключевого усилителя соединен с выходом дифференциального усилителя через элемент оптической развязки, а выход через фильтр нижних частот - с нагрузкой, отличающийся тем, что, с целью снижения нелинейных искажений, введены сумматор и источник напряжения смещения, выход которого соединен с входом сумматора, другой вход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя, а выход - с входом многоуровневого компаратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3