Усилитель с широтно-импульсной модуляцией

 

Использование: в радиотехнике в вещательных и связных радиопередатчиках. Сущность изобретения состоит в снижении нелинейных искажений и расширении полосы частот усиливаемого сигнала при сохранении высокого КПД в усилителе с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), содержащем формирователь 1 импульсов с ШИМ, лампу 2 усилителя, диод 3, источник 4 анодного питания, нагрузку 5, конденсатор 6 первого фильтра нижних частот (ФНЧ), дроссель 7 первого фнч, дроссель 8 второго ФНЧ, конденсатор 9 второго ФНЧ, ключевой усилитель 10, вычитатель 11, резистивный делитель напряжения 12, блок 13 оптической развязки, блок задержки, сумматор 15, источник 16 напряжения смещения, усилитель постоянного тока (УПТ) 17. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в вещательных и связных радиопередатчиках.

Известны радиопередатчики, в которых для уменьшения нелинейности начального участка статической модуляционной характеристики схема управления лампой широтно-импульсного (ШИМ) модулятора построена таким образом, что при уменьшении напряжения на вход модулятора, длительность ШИМ импульсов уменьшается лишь до какой-то определенной величины (что соответствует работе на линейном участке характеристики), после чего производится уменьшение амплитуды ШИМ импульсов на управляющей сетке лампы (для компенсации нелинейности начального участка характеристики). Недостатком известных решений является то, что при уменьшении амплитуды импульсов возбуждения лампа модулятора переходит из ключевого режима в активный режим, при котором резко возрастает мощность потерь на аноде лампы, что приводит к снижению коэффициента полезного действия модулятора. Недостатком также являются значительные по величине нелинейные искажения при работе на высоких частотах. Известны также усилители с широтно-импульсной модуляцией и амплитудной модуляцией, где лампа усилителя заземлена, а источник высокого напряжения подключен к лампе оконечного каскада тракта радиочастоты (Л2). Недостатком этих устройств также являются большие нелинейные искажения.

В настоящем изобретении решается задача снижения нелинейных искажений и расширение полосы частот усиливаемого сигнала при сохранении высокого коэффициента полезного действия.

На фиг.1 показан вид статических модуляционных характеристик усилителя с широтно-импульсной модуляцией; на фиг,2 функциональная схема усилителя с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Усилитель с ШИМ содержит формирователь 1 импульсов с ШИМ, лампу 2 усилителя, диод 3, источник 4 анодного питания, нагрузку 5, конденсатор 6 первого фильтра нижних частот (ФНЧ), дроссель 7 первого ФНЧ, дроссель 8 второго ФНЧ, конденсатор 9 второго ФНЧ, ключевой усилитель 10, вычитатель 11, резистивный делитель напряжения 12, блок 13 оптической развязки, блок задержки 14, сумматор 15, источник 16 напряжения смещения, усилитель постоянного тока (УПТ) 17.

Усилитель с ШИМ работает следующим образом. Входное модулирующее напряжение U_вх в сумматоре 15 складывается с отрицательным смещением с величиной ₁ (фиг. 1) от источника 16 и поступает затем на вход формирователя 1, который формирует на управляющей сетке лампы 2 импульсы напряжения, длительность которых пропорциональна уровню сигнала на входе. Соответственно, напряжение на аноде лампы 2 также имеет форму ШИМ импульсов. Изменяющаяся в соответствии с моделирующим сигналом составляющая этого напряжения выделяется первым ФНЧ (6,7) и через резистивный делитель напряжения 12 поступает на неинвертирующий вход вычитателя 11, на инвертирующий вход которого через блок задержки 14, блок 13 и УПР 17, который является инвертирующим, поступает входной сигнал U_вх. Сигнал ошибки с выхода вычитателя 11 (заштрихованная область на фиг.1) усиливается ключевым усилителем 10 и суммируется с выходным сигналом лампы 2, которая выполняет функции ШИМ модулятора, таким образом осуществляется компенсация нелинейных искажений, возникающих в ШИМ модуляторе. Полученное напряжение через второй ФНЧ (8, 9), устраняющий спектральные составляющие, вызванные процессами коммутации в ключевом усилителе 10, поступает в нагрузку 5, роль которой выполняет оконечный каскад радиопередатчика. Диод 3 замыкает ток дросселя 7 в момент времени, когда лампа 2 заперта. Резистивный делитель напряжения 12 позволяет привести сигналы на входах вычитателя 11 к одному масштабу. Блок задержки 14 служит для компенсации задержки сигнала в первом ФНЧ 6, 7. Блок 13 необходим по той причине, что вычитатель 11 и УПТ 17 находятся под высоким потенциалом относительно общей шины. Оптическая развязка имеет место и в ключевом усилителе 10, который находится под "плавающим" потенциалом относительно земли. Общие провода формирователя 1, блока задержки 14, сумматора 15, источника 16, соединены с землей (не показано), а общие провода вычитателя 11, УПТ 17 соединены с положительной шиной источника 4. Напряжение U_вх подается относительно потенциала земли. При U_вх 0 напряжения на входах вычитателя 11 относительно его общего провода также равны нулю. С ростом U_вх напряжения на входах вычитателя 11 становятся отрицательными, а выделенный сигнал ошибки с выхода вычитателя 11 в нужной фазе поступает на управляющий вход ключевого усилителя 10. Ключевой усилитель 10 является усилителем однополярного сигнала, у которого положительная выходная шина соединена с дросселем 7, а отрицательная шина с дросселем 8. Нагрузка 5 (оконечный каскад радиопередатчика) является незаземленной, поэтому амплитуда высокочастотного напряжения на выходе нагрузки 5 U_вых определяется разностью потенциалов между первым и вторым (верхним и нижним на фиг.2) отводами нагрузки 5. Оптические развязки, осуществляемые блоком 13 и ключевым усилителем 10, должны обеспечивать передачу низковольтных сигналов вместе с их постоянными составляющими и требуемую электрическую прочность изоляции (более 30 кВ).

Частота коммутации f_{к доп} ключевого усилителя 10, который может быть реализован на быстродействующих полупроводниковых приборах, может быть выбран примерно на порядок выше частоты коммутации ШИМ модулятора f_к, однако составляющие, имеющие частоты, равные mf_к + +nf_{к доп}, где m и n целые числа, не должны попадать в полосу частоты усиливаемого сигнала во избежание роста нелинейных искажений. Частоты среза первого и второго ФНЧ оказываются в этом случае сильно разнесенными, поэтому фильтры мало влияют друг на друга и могут рассчитываться по отдельности. Величину напряжения смещения источника 16 и амплитуду выходного напряжения ключевого усилителя 10 целесообразно выбрать в 1,5-2 раза больше величины ₁ и ₂, показанных на фиг.1, чтобы при любом уровне выходного сигнала U_вх (фиг.1) обеспечить компенсацию как положительных, так и отрицательных отклонений выходного сигнала от требуемой формы.

Таким образом уменьшаются нелинейные искажения, расширяется полоса частоты усиливаемого сигнала при высоком коэффициенте полезного действия.

Формула изобретения

УСИЛИТЕЛЬ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содержащий формирователь импульсов с широтно-импульсной модуляцией, выход которого подключен к управляющей сетке лампы усилителя, катод которой заземлен, анод которой соединен с анодом диода, источник анодного питания, отрицательная шина которого заземлена, а положительная шина подключена к катоду диода и к одному из выводов конденсатора первого фильтра нижних частот, другой вывод которого подключен к одному из выводов дросселя первого фильтра нижних частот, другой вывод которого подключен к аноду диода, а также нагрузку, первый вывод которой подключен к катоду диода, отличающийся тем, что введены резистивный делитель напряжения, выводы которого подключены к соответствующим выводам конденсатора первого фильтра нижних частот, вычитатель, ключевой усилитель, вход управления которого подключен к выходу вычитателя, сумматор, источник напряжения смещения, выход которого подключен к первому входу сумматора, последовательно соединенные блок задержки, блок оптической развязки и усилитель постоянного тока, шина питания которого соединена с шиной питания вычитателя и положительной шиной источника анодного питания, конденсатор второго фильтра нижних частот, который подключен параллельно нагрузке, дроссель второго фильтра нижних частот, который включен между вторым выводом нагрузки и выходом ключевого усилителя, шина питания которого подключена к точке соединения выводов конденсатора первого фильтра нижних частот и дросселя первого фильтра нижних частот, при этом выход сумматора подключен к входу формирователя импульсов с широтно-импульсной модуляцией, отвод резистивного делителя напряжения подключен к первому входу вычитателя, второй вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, второй вход сумматора и вход блока задержки объединены и являются входом модулирующего сигнала усилителя с широтно-импульсной модуляцией.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2