Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в связи с довольно высоким количеством слабослышащих людей, вопросы конструирования миниатюрных высокоэко-номичных усилителей для слуховых аппаратов становятся все более актуальной задачей.
Анализ существующих усилителей слуховых, аппаратов но литературным источникам стран СНГ и дальнего зарубежья показал, что выпускаемые слуховые аппараты в странах СНГ, в частности К-11С производства России, являются технически и морально устаревшими и не отвечают требованиям времени в перную очередь по показателям энергоэффективности.
Поэтому в последнее время в ведущих западных странах и СНГ наметился рост исследований по применению современных ключевых методов усиления в слухопротезировании.
Интенсивное развитие цифровой техники, обусловленное, ьоаможн.нггями интегральной технологии, определило широкое применение цифровых сигналов II приборов в области электроники, которые ранее были традиционно аналоговыми. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму позволяет получи п. множество новых качеств и путей дальнейшей обработки сигналов.
Проведенное в данной работе исследование возможностей использования цифровых методов усиления для слуховых аппаратов позволило существенно повысить их коэффициент полезного лейстпия и продли п. срок службы .'llicpm-носителей, что является очень актуальной задачей слухопротезирования. Кроме того, преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму позволяет обрабатывать цифровой сигнал по любому требуемому алгоритму и реалияовывать на цифровом уровне системы шумопонижения, командирования, регулировки АЧХ и т.д., что открывает огромные возможности для создания адаптивных малогабаритных, высококачественных и экономичных слуховых аппаратов.
Поль работы. Основной целью работы является исследование и создание высокоэффективного ключевого усилителя на основе разработанной перспективной час-тотно-широтно-импульсной модуляции, ориентированного на применение в области
слухопротезирования, е также разработка высокоэффективных сопутствующих узлов для создания миниатюрного, программируемого, высокоэффективного слухового аппарата.
Для решения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработана методика исследований характеристик и параметров усилительных элементов при нижепороговых напряжениях питания для подбора элементной базы ключевого усилителя. Для этих целей создана экспериментальная установка.
сделан анализ процессов, сопровождающих широтно-импульсную и дельта модуляцию в ключевых усилителях, разработана методика формирования частотно-широтно-импульсной модуляции.
исследовано влияние импеданса нагрузки и выходного импеданса усилителя на его энергетические и качественные параметры и предложены оптимальные варианты.
исследованы и разработаны схемы ключевого усилителя с использованием час-тотно-шкротно-импульсной модуляции, предложен оптимальный вариант усилителя но энергетическим параметрам.
исследована и разработана схема экономичного преобразователя напряжения питания с 1,5В до 3,0В, для обеспечения питания ключевого усилителя от одного элемента питания, предложен оптимальный схемотехнический вариант.
исследована и разработана схема программируемого микроминиатюрного ключевого усилителя с параметрами, управляемыми программно на базе микропроцессорного комплекта.
исследована и разработана схема отключения ключевого усилителя в паузах, что позволяет свести ток, потребляемый усилителем в паузах к минимуму и практически исключить шум в паузах.
исследованы и разработаны схемы различных типов высокоэкономичных микрофонных усилителей, ориентированных на применение с разработанным ключевым усилителем в составе слухового аппарата. Предложен микрофонный усилитель с последовательным включением с микрофоном с использозапием ИМС БУС-1.
сделан анализ энергетической эффективности ключевых усилителей в зависимости от вида используемой модуляции, частоты дискретизации и типов
используемых усилительных приборов. Даны практические рекомендации по выбору
частоты, способа модуляции и типов транзисторов. ;'
показано, что в разработанном модуляторе, чувствительность модулятора имеет обратную зависимость от напряжения питания, что позволяет реализовать компенсацию выходной мощности при снижении напряжения питания вследствии разряда элементов питания.
исследована возможность включения элементов ИМС КМОП структуры параллельно, что позволяет увеличить их нагрузочную способность и создать микроминиатюрный ключевой усилитель.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались аналитические и экспериментальные методы исследования на базе разработанных методов с последующей обработкой и анализом полученных результатов.
Аналитические методы базировались на современной теории сигналов, спектральном анализе и математической статистики, методах гармонического анализа, теории и практики программирования научных задач.
Научная новизна. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований впервые предложено использовать в ключевых усилителях разработанную частотно-широтно-импульсную модуляцию, что дает возможность построить высокоэффективные усилители звуковой частоты для слуховых аппаратов. Предложен преобразователь напряжения для питания ключевого усилителя. Предложен новый способ шумопонижения в паузах ключевого усилителя.
Экспериментально и теоретически доказано, что КПД разработанного усилителя составляет 85%, что намного выше КПД аналоговых усилителей. В то же время его характеристики отвечают международным требованиям для слуховых аппаратов. .
На зашиту выносятся следующие положения:
1. Исследования элементной базы и узлов для построения экономичных ключевых усилителей. Анализ полученных результатов и практические рекомендации. Возможность использования транзисторов типа КТ для дискретного исполнения ключевого усилителя и использование КМОП структуры для интегрального выполнения усилителя.
2. Повышение экономичности ключевого усилителя достигается использо
ванием:
-"частотно-широтно-импульсную модуляцию;
определенную частоту дискретизации;
активные элементы КМОП-структуры.
-
Формулы для КПД ключевых усилителей для разработанного режима работы, частоты дискретизации.
-
Повышение эиергоэффективности слухового аппарата достигается за счет отключения усилителя во время пауз, использование преобразователей напряжения в слуховом аппарате. Схемотехнические решения этих мероприятий.
-
Схема адаптивного программируемого ключевого усилителя на базе микропроцессорной техники и разработанного ключевого усилителя с частотно-широтно-импулъсной модуляцией.
Практическая ценность. Проведенные исследования позволяют создать слухо
вые аппараты, использующие современные методы модуляции, которые являются
высокоэффективными конкуренгаоспособными приборами с КПД до 85 - 90 %, что
в два-три раза выше выпускаемых в странах СНГ, что позволяет продлить срок
службы элементов питания. .
Разработанный преобразователь напряжения позволяет решить проблему
питания предлагаемых усилителей'от стандартного элемента с напряжением питания
1,5В. ' ' '
Внедрение результатов.
-
Схемотехнические решения предлагаемого ключевого усилителя использованы в НИИ медицинской техники и приборов г.Моск^а для построения экономичного слухового аппарата, материалы изложены в х/д темах N138 с 1990 по 1992 гг.
-
Основные теоретические и схемотехнические исследования предложены в разделе НИР темы 13.3Б с Госкомитетом но науке и технике РУз. Разработка оптимальных вариантов усилителей для цифровых систем передачи (1994,1995 гг.).
-
Материалы ьо исследованию ключевых усилителей различной модификации нашли широкое применение в учебном процессе, в курсе "аналоговая схемотехника" и в дипломном проектировании кафедры УРС ТЭИС.
Были проработаны вопросы о заключении договора о выпуске слуховых аппа
ратов с НПО "Фотон". Л і.
Апробгшия работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе на:
- научно-технической конференции "Проблемы развития и эксплуатации меж
дугородной и международной телефонной связи в республике Узбекистан" (Таш
кент, 1993 г.);
- Научно-технической конференции "Республикаканг -лока тармоклари ва
тизимлариниракамкаштириш" (Тошкент, 1994 г.)
- научно-технической конференции "Современные проблемы телеком
муникации республики Узбекистана и интеграции науки с производством" (Ташкент,
1995 г.) -
научных семинарах при НИИ медицинской техники и приборов (г.Москва.)
семинарах кафедры УРС ТЭИС (г.Ташкент, 1997 г.)
научно-техническом совете ТЭИС (г.Ташкент, 1997 г.)
научном семинаре НПО "Академприбор" (г.Ташкент , 1997 г.)
научном семинаре при кафедре "Радиотехника" ТашГТУ.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах. Получен патент СССР "Слуховой аппарат".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, заключения, приложения, пяти глав, списка литературы (48 наименований), содержит 144 страниц основного текста, 99 рисунков, 4 таблиц.
