Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. КПД аналого-дискретных усилителей 25
1.1. Современное состояние применения энергетически высокоэффективных усилителей звуковых частот 25
1.2. Энергетическая обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей 30
1.3. Математические модели используемых испытательных сигналов 44
1.3.1. Обобщенные виды сигналов 44
1.3.2. Гармонический и речевой сигналы 48
1.3.3. Музыкальный сигнал 52
1.4. КПД усилителей с произвольным числом каналов 61
1.5. Исследование КПД одно, двух и трехканальных усилителей при речевых
и музыкальных сигналах 71
Выводы 87
Глава 2. Усилители с аналоговым режимом работы и искусственными источниками питания каналов 89
2.1.Особенности режимов работы коммутирующих элементов 92
2.2. Усилители с искусственным источником питания второго канала 97
2.3. Усилители с искусственным источником питания первого канала П5
2.4. Несимметрично-дроссельный усилитель 127
Выводы 136
Глава 3. Усилители смешанного режима 138
3.1. Анализ мощностей потерь в транзисторах и диодах усилителей смешанного режима 140
3.2. Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при гармонической форме колебания 146
3.3. Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при речевом сигнале 154
3.4. Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при музыкальном сигнале 165
3.5. Максимально возможные мощности потерь на элементах усилителя и их учет при практическом проектировании устройств 177
3.6. Усилитель смешанного режима с адаптивным источником питания 181
3.6.1. КПД усилителя смешанного режима с адаптивным источником питания 185
3.6.2. Максимальные мощности потерь, рассеиваемые в основных элементах усилителя 198
Выводы 202
Глава 4. Качественные показатели усилителей 204
4.1. Частотная характеристика усилителя 204
4.2. Нелинейные искажения в усилителях 207
4.3 Субъективная (экспертная) оценка качества разработанного усилителя режима ВС 215
Выводы 217
Глава 5. Особенности схемотехнической реализации и инженерного расчета энергетически высокоэффективных усилителей 218
5.1. Способы построения энергетически эффективных оконечных и предварительных каскадов 219
5.1.1. Автотрансформаторный полумостовой усилитель 219
5.1.2 Бестрансформаторные усилители режима ВС 220
5.1.3 Способы повышения коэффициента использования напряжения питания 236
5.1.4. Устройство управления параллельными каналами с постоянным входным сопротивлением 244
5.1.5. Усилители мощности с регулируемым питанием 246
5.2. Методика расчета усилителей 249
5.3. Практическая реализация аналого-дискретных усилителей 255
5.3.1 Трансформаторные усилители мощности 255
5.3.2. Несимметрично-дроссельный усилитель 268
5.3.3. Бестрансформаторные усилители 270
5.3.4. Аналого-дискретный усилитель для источника бесперебойного питания 282
Выводы 285
Заключение 287
Литература
- Математические модели используемых испытательных сигналов
- Усилители с искусственным источником питания второго канала
- Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при музыкальном сигнале
- Субъективная (экспертная) оценка качества разработанного усилителя режима ВС
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Диссертация «Разработка теории и принципов построения аналого-дискретных усилителей» посвящена вопросам теории и практической реализации устройств, энергетическая эффективность которых для сигналов с большим пик-фактором (например, вещательных) значительно (вдвое и более) выше, чем в аналогичных моделях, выпускаемых в настоящее время промышленностью в условиях массового производства.
Вопросы повышения энергетической эффективности радиоэлектронных устройств постоянно являются предметом интенсивных исследований специалистов. В радиовещательной аппаратуре наибольшее энергопотребление происходит, как правило, в усилителях звуковой частоты (УЗЧ), причем, как показывают исследования, в условиях реальных сигналов КПД наиболее широко распространенных усилителей режима В не превышает 24%. В этом случае только 24% мощности, потребляемой от источника питания, идет на формирование полезного сигнала, а подавляющая ее часть (76%) создает бесполезные потери в активных элементах усилителей, разогревая их и ухудшая условия эксплуатации. Усилители звуковой частоты являются одним из наиболее часто встречающихся устройств в радиоэлектронной аппаратуре. Они используются в радиовещательной и связной аппаратуре, в качестве модуляторов радиопередатчиков, в устройствах автоматики, источниках питания и так далее. В переносных устройствах именно ими, как правило, определяется срок работы батарей питания и массогабаритные показатели аппаратуры. Поэтому вопросы снижения мощности потерь в активных элементах УЗЧ и повышения их КПД являются весьма актуальными.
Характерной особенностью исследованных усилителей является значительное снижение мощности потерь в их активных элементах. Это имеет два важных следствия, каждое из которых даже в отдельности обусловливает необходимость проведения исследований в этой области. Во-первых, оно приводит к снижению нагрева активных элементов. Благодаря этому удается
значительно уменьшить или полностью исключить радиаторы, что позволяет не только улучшить массогабаритные показатели аппаратуры, ее тепловой режим, но и существенно экономить как металл, так и затрачиваемые на его обработку материальные и трудовые ресурсы.
Во-вторых, уменьшение мощности потерь приводит к повышению КПД устройства, что создает возможность экономии электроэнергии (как сырья) и снижает затраты на эксплуатацию оборудования. Отсюда видно, что решение этой проблемы имеет важное не только техническое, но и хозяйственное значение, позволяет экономить сырьевые, материальные, топливно-энергетические ресурсы. Причем по некоторым параметрам (например, энергопотреблению) получаемый выигрыш не только достигает, но и превышает двойной.
Такие усилители наиболее эффективно могут быть применены при разработке устройств с ограниченными массогабаритными показателями, предназначенных, например, для использования в условиях, когда усилительная установка переносится оператором или находится на автономном движущемся объекте (корабле, самолете, лодке, спутнике) в качестве устройства аварийного оповещения, как модулятор радиопередатчика и т.д. Кроме того, их использование имеет принципиальное значение при микроминиатюризации аппаратуры, так как позволяет разрабатывать и производить аналоговые радиотехнические устройства значительной мощности в интегральном исполнении.
В технике звуковоспроизведения в настоящее время известны несколько способов повышения энергетической эффективности аналоговых усилителей. Наиболее распространенные из них в своем составе используют усилители режима D. В его исследовании и развитии большой вклад внесли крупные советские ученые Д.В. Агеев, В.В. Маланов, А.Д. Артым, В.Ф. Дмитриков, М.А. Сивере, А.А. Алексанян, К.К. Никитин, Э.В. Сырников и многие другие. Такие усилители, обладая высоким КПД (в идеальном случае стремящимся к единице), имеют ряд особенностей, которые затрудняют, а иногда делают
невозможным их использование в радиоэлектронной аппаратуре, предназначенной для воспроизведения широкополосных сигналов произвольной формы с большим динамическим диапазоном. Именно к ним относятся сигналы, используемые в радиовещании и телевидении. Характерное для усилителя режима D преобразование входного аналогового сигнала в модулированную по длительности последовательность импульсов (ШИМ), усиление ее с высоким КПД и восстановление в нагрузке исходного сигнала сопровождаются рядом недостатков. Рассмотрим последовательно эти этапы и особенности их работы.
При преобразовании аналогового сигнала длительность формируемого импульса ШИМ устанавливается пропорционально мгновенному значению колебания в момент выборки, и после ее окончания, вплоть до следующей, (т.е. в течение паузы ШИМ) любые изменения входного сигнала оказываются потерянными. Это не играет решающей роли при формировании или усилении периодических сигналов и колебаний известной формы, но может иметь неприятные последствия в случае обработки одиночных или высокоточных сигналов произвольной формы, например, существующих в медицине (кардиограмма и др.), измерительной технике (осциллографы и т.д.), в высококачественном звукоусилении и других приложениях. Спектр формируемой последовательности широкополосен. Возникающие при этом гармонические и комбинационные составляющие могут попасть в рабочий диапазон частот аппаратуры, расположенной поблизости, и создавать помехи ее работе. Как показывает опыт, требуемая для ослабления этого экранировка усилителей не всегда эффективна и увеличивает габариты и вес аппаратуры.
В формируемой последовательности минимальная длительность импульса конечна, что устанавливает как порог зоны чувствительности преобразователя, так и его динамический диапазон. Для компенсации этого тактовую частоту ШИМ желательно понижать. Однако в этом случае при диапазонной работе усилителя ухудшается ее фильтрация, возникает экстраполяционная неточность восстановления сигнала. Кроме того, из-за
соизмеримости тактовой и рабочих частот в усилителе создается возможность возникновения эффекта «дробления импульса», когда в тактовый период формируется более одного импульса. Это затрудняет формирование в нагрузке колебания, полностью повторяющее входное. Указанные особенности приводят к увеличению искажений восстановленного сигнала и заставляют выбирать тактовую частоту в десятки раз большей верхней граничной частоты диапазона усиливаемых колебаний. А ее увеличение, в свою очередь, может приводить к расширению спектра излучаемых помех и смещению его в область диапазона радиочастот. Наличие порога чувствительности преобразователя затрудняет использование режима D для неискаженного воспроизведения сигналов большого динамического диапазона, в устройствах с оперативной регулировкой уровня выходного колебания (например, снабженных регулятором громкости), при селекции слабых сигналов и т.д.
Для уменьшения указанных недостатков были предложены некоторые разновидности ШИМ (адаптивная, смешанная), а также использование нескольких каналов ШИМ, работающих при разных амплитудах входного сигнала. Однако, не устраняя полностью указанных выше недостатков, такие решения из-за непостоянства в них тактовой частоты приводят к обогащению спектра результирующего колебания.
При усилении сформированной импульсной последовательности активный элемент усилительного каскада (транзистор, тиристор или другой) работает в ключевом режиме, что предполагает значения КПД, стремящиеся к единице. Как известно, любой элемент инерционен и обладает, кроме того, паразитными реактивностями. Поэтому в нем из-за конечного времени переключения возникают динамические потери, возрастающие с повышением тактовой частоты. Кроме того, конечные значения фронта и среза импульсов не позволяют сделать его длительность сколь угодно малой и ограничивают возможный динамический диапазон преобразования сигнала. При ключевом режиме, когда через транзистор во время каждого импульса протекает максимальный ток, величина динамических потерь для каждого импульса
ШИМ остается примерно постоянной. Следовательно, при уменьшении амплитуды усиливаемого колебания, сопровождающееся сокращением длительности импульсов (а значит, уменьшением полезной мощности), степень влияния мощности динамических потерь на ухудшение КПД возрастает. Это особенно существенно при воспроизведении сигналов с большим пик-фактором, когда средние значения амплитуд значительно меньше максимально возможной. К таким сигналам относятся, например, вещательные, в которых пик-фактор речевого сигнала превышает значения П = 6, а для музыкального может быть еще больше.
Кроме динамических, в активных элементах возникают и статические потери, обусловленные наличием остаточных напряжений на транзисторах и пороговых напряжений на рекуперативных диодах. Для уменьшения влияния первых из них напряжение источника питания усилителя стремятся повысить. Они, как и динамические потери, особенно существенно сказываются при уменьшении выходной мощности. Все это приводит не только к тому, что КПД усилителя режима D с уменьшением амплитуды входного сигнала уменьшается, стремясь в пределе к нулю, но и является источником дополнительных искажений усиливаемого сигнала.
В отличие от аналоговых усилителей в ключевых к источникам питания должны предъявляться особые требования к величине напряжений пульсаций. Возникающая при их наличии дополнительная амплитудная модуляция обогащает спектр сигнала и ухудшает точность его воспроизведения.
Восстановление первоначальной формы колебания (цифро-аналоговое преобразование) в усилителях режима D происходит, как правило, при прохождении усиленного ШИМ-сигнала через фильтр нижних частот (ФНЧ). Для улучшения подавления составляющих тактовой частоты стараются либо увеличить число его звеньев, либо применить специальные виды фильтров. В этом случае в ФНЧ могут не только возрастать потери, но и становится нелинейной его фазовая характеристика. Компенсация и того и другого приводит к увеличению массогабаритных показателей фильтра. Как отмечают
специалисты (например, Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Сергеев В.В. Новый метод синтеза реактивных фильтров // Электросвязь. 2001. №1. С. 33 - 36) применяемые сейчас в ключевых усилителях фильтрующие устройства, построенные традиционными методами, могут составлять 50-70% общей массы и габаритов аппаратуры.
Эффективность работы фильтрующих систем снижается и при использовании асинхронных видов ШИМ (адаптивной и смешанной). В них тактовая частота зависит от амплитуды и частоты усиливаемого сигнала и изменяется при их изменении. Это ухудшает фильтрацию и приводит к увеличению искажений восстанавливаемого колебания. Еще одним источником искажений является работа на нелинейную нагрузку. В этом случае изменяются параметры ФНЧ, а значит, и степень подавления им частот полосы задержания.
Для улучшения качественных показателей усилителей режима D его охватывают отрицательной (для восстанавливаемого в нагрузке сигнала) обратной связью (ООС), подаваемой с выхода ФНЧ на формирователь широтно-импульсной последовательности. Как отмечают исследователи, наличие в сигнале обратной связи составляющих тактовой частоты формирователя и его комбинационных с усиливаемым сигналом продуктов (которые по отношению к входному колебанию имеют значительные фазовые сдвиги) ухудшают линейность формирователя, способствуют появлению дополнительных искажений и нарушают устойчивость усилителя, ограничивая глубину вводимой отрицательной обратной связи. В некоторых случаях при различных видах модуляции (например, адаптивной с синхронизацией по фронту и срезу), области устойчивой работы усилителей различны и зависят от уровня подаваемого колебания. Поэтому усилители строятся как двухканальные и в зависимости от величины входного сигнала усиление происходит каналом с устойчивой работой.
Многоканальность используется и для снижения нелинейных искажений. В этом случае при малых уровнях сигнала усилители работают в режима AD,
который по сравнению с другими разновидностями ключевых усилителей обладает меньшими искажениями колебания.
Таким образом, при наличии высокой энергетической эффективности усилители режима D обладают рядом особенностей, которые затрудняют, а иногда - исключают возможность использования их в высоколинейных, широкодиапазонных устройствах, работающих совместно с чувствительной мобильной аппаратурой и использующих для питания низковольтные источники. Положение осложняется тем, что с развитием новых видов связи и резким увеличением числа передающих и приемных устройств эффективное использование спектра выделенных частот, электромагнитная совместимость оборудования и его экономичность приобретают особую актуальность. Рабочая полоса частот является национальным достоянием. Решение этих проблем возможно в сочетании использования цифровых и аналоговых радиоэлектронных устройств, каждое из которых должно быть применено в областях его наиболее целесообразного использования. Это позволяет рассматривать создание экономичных усилителей с отсутствием или существенным снижением указанных недостатков как важную народнохозяйственную задачу.
Отличительной особенностью приведенных в предлагаемом исследовании усилителей является резкое снижение, а в некоторых случаях отсутствие указанных недостатков. В них используется несколько работающих поочередно на общую нагрузку усилительных каналов, переключение которых происходит в зависимости от величины мгновенного значения сигнала. Первый из каналов (используемый при малых мгновенных значениях сигнала) всегда работает в аналоговом режиме; все остальные могут быть также аналоговыми усилителями, либо работать в режиме D. Реальные вещательные сигналы обладают большим пик-фактором, поэтому работа первого канала превалирует. Она не требует широтно-импульсного преобразования колебания, а значит, в усилителе недостатки режима D отсутствуют или оказываются значительно ослабленными, даже если второй канал работает в ключевом режиме. При
использовании в переключаемых каналах только аналоговых режимов работы усилитель обладает КПД, превышающим вдвое и более КПД усилителя режима В. Сочетание такого энергетического выигрыша с простотой схемной реализации при низких требованиях к параметрам и частотным свойствам используемых компонент, а также других положительных качествах выгодно отличает эти усилители от вариантов, построенных на основе иных способов повышения экономичности.
Впервые способ построения усилителей, использующий переключение каналов, предложил советский радиоспециалист Х.М. Виленский (1940 г.) [1], но подробное исследование и практическое использование таких усилителей началось с 70-х г. 20 в. В это время практически одновременно специалистами СССР, НРБ, ФРГ, Японии и США был опубликован ряд работ, посвященных этому вопросу. Различные способы построения усилителей, использующих при формировании выходного напряжения два и более поочередно работающих на общую нагрузку аналоговых усилительных каналов, были исследованы в работах В.Н. Ногина, Н.Б. Петяшина, В.М. Кибакина, Л.Я. Венчацкого, А.В. Попова, А.И. Скокова, Л.В. Бессчетновой, Х.Д. Шинева (НРБ), В.Б. Василева (НРБ), В.М. Софиянски (НРБ), Г.И. Кръстева (НРБ) и других. В настоящее время такие усилители продолжают разрабатываться и серийно выпускаться ведущими зарубежными фирмами, например, Yamaha Corporation.
Однако исследователи, рассматривая различные способы построения усилителей, использовали индивидуальные подходы. Это породило многочисленную классификацию, усложняющую анализ и оценку потенциальных энергетических возможностей различных способов построения экономичных усилителей. Поэтому назрела необходимость введения обобщенной энергетической математической модели экономичных усилителей, позволяющей с единых позиций не только рассматривать различные, известные способы построения усилителей, но и на основе анализа модели разрабатывать новые способы, позволяющие иными схемотехническими решениями
реализовывать модель. Все это требует обобщения и развития теории построения таких усилителей.
Одним из основных энергетических показателей усилителя является его КПД. До работ автора величина КПД была рассчитана только при усилении гармонического колебания и лишь в отдельных случаях - для идеального речевого сигнала. Однако гармоническое колебание, обладая многочисленными известными достоинствами, к сожалению, не отражает энергетические характеристики аппаратуры, получаемые в условиях реальной эксплуатации, т.е. при усилении ею радиовещательных программ. Это не позволяет объективно рассчитывать энергетические ресурсы аппаратуры и выбирать площади теплоотводящих радиаторов. Объективный анализ может быть произведен только с использованием моделей повседневно встречающихся сигналов: речевого и музыкального. Известно несколько аппроксимаций идеальных речевого и музыкального сигналов, предложенных разными авторами в разное время и для различных целей. Все они различаются между собой, что не позволяет априорно использовать одну из них, и требует уточнения вероятностных моделей сигналов, предназначенных для энергетических исследований усилителей.
Кроме того, на практике использование для энергетического исследования моделей идеальных сигналов часто оказывается недостаточным. При прохождении по каналам связи сигналы, как правило, подвергаются амплитудному ограничению, величина которого значительно влияет на энергетические характеристики аппаратуры. Поэтому для анализа энергетических показателей усилителей необходимо использовать математические модели вещательных сигналов, позволяющие учитывать его реальные изменения.
Следующими важнейшими параметрами рассматриваемых усилителей являются оптимальное число каналов усиления и уровень их переключения: мгновенное значение сигнала, при котором подключается очередной канал. Их необходимые величины могут быть объективно обоснованны только при
комплексном подходе с учетом как схемотехнических возможностей, так и моделей реально воспроизводимых сигналов. Оптимизация этих параметров является одной из основных задач, позволяющих получать максимальную эффективность от использования экономичных усилителей.
Выпускаемые в настоящее время промышленностью усилители с переключением поочередно работающих каналов предназначены для использования в стационарных условиях при питании от электрической сети. В них разновеликие питающие напряжения создаются с помощью отдельных выпрямителей. Однако в переносной аппаратуре применение для питания каналов нескольких отдельных батарей нежелательно. Это связано как с необходимостью использования числа гальванических элементов, кратного количеству каналов, так и эксплуатационными неудобствами, обусловленными неодинаковостью разряда батарей. Поэтому одной из первоочередных задач является разработка схемотехнических эквивалентов источников питания каналов и их плеч, позволяющих получать с высоким КПД от общей батареи несколько разновеликих напряжений. При этом их технические решения не должны приводить к значительному усложнению аппаратуры. Это особенно актуально в бестрансформаторных усилителях, где использование искусственных источников питания кроме повышения экономичности может привести и к увеличению максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке, а значит, и выходной мощности. Каждый из таких способов построения требует энергетического анализа его реализации и подтверждения эффективности работы искусственного источника при любой форме колебаний.
Одними из основных параметров переносной аппаратуры являются ее массогабаритные показатели. Они приводят к необходимости ограничения числа используемых элементов, и заставляют искать варианты, позволяющие достигать заданные характеристики устройства при ограниченном числе примененных транзисторов, конденсаторов и т.д. Требуемая для этого схемотехническая оптимизация устройства является одной из наиболее актуальных проблем, на ее решение направленно большинство предлагаемых в
настоящее время схемных реализаций. Применение для питания ограниченного числа гальванических элементов, необходимость получения наибольшей энергетической эффективности и т.д. заставляют рассматривать проблемы уменьшения остаточных напряжений на активных элементах, повышения эффективности работы вольтодобавки, функциональное совмещение использованных компонентов и другие варианты оптимизации способов реализации экономичных усилителей.
Таким образом, недостаточное теоретическое исследование потенциальных и реальных энергетических характеристик усилителей с поочередно работающими каналами, ограниченное число способов их построения, неопределенность в оптимизации числа используемых каналов и уровней переключения, небольшое количество разработанных схемотехнических решений и т.д. не позволяло до сих пор в полной мере выявить особенности работы рассматриваемых усилителей и области их наилучшего применения, наиболее полно использовать все достоинства каждого из способов построения экономичных усилителей. Это не только сдерживает развитие таких усилителей, но и препятствует возможности их широкого применения.
Все это требует развития теории таких усилителей, дальнейшей разработки новых принципов их построения, реализации и подробного исследования. Актуальность этой работы подтверждается и интересом к ней ведущих зарубежных фирм, постоянно патентующих свои технические решения по этой проблематике: Yamaha Corporation, Alcatel, Kabushiki Kaisha Toshiba, Telefonaktiebolaget Lm. Ericsson, Sanyo Electric Co. Ltd. и другие.
Цель и основные задачи диссертации. Целью работы является обобщение и развитие теории, принципов и методов построения аналого-дискретных усилителей для достижения в них в условиях вещательных сигналов высокого КПД при резком снижении или устранении недостатков, присущих режиму D.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:
1. Разработка обобщенной математической модели аналого-дискретных
усилителей для их энергетических исследований.
Разработка новых принципов построения аналого-дискретных усилителей, позволяющих наиболее полно реализовать присущие им преимущества.
Уточнение математических моделей реальных речевого и музыкального сигналов, предназначенных для энергетических исследований усилителей и учитывающих изменения сигналов, возникающие при их прохождении по реальным каналам связи.
4. Анализ на основе разработанных математических моделей предельных
и реальных энергетических характеристик аналого-дискретных усилителей,
определение оптимального числа требуемых каналов и соотношения их
напряжений питания.
5. Исследование с использованием обобщенной модели аналого-
дискретного усилителя и особенностей построения, анализ предельных и
реальных энергетических характеристик:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы
переключаемых каналов и искусственными источниками питания первого, либо
второго каналов;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным
источником питания первого канала;
- предложенного усилителя смешанного режима с адаптивным
источником питания первого канала.
Анализ предельных возможностей предложенного метода построения экономичных усилителей, в которых коэффициент передачи изменяется синхронно с напряжением питания усилителя.
Анализ и исследование качественных показателей аналого-дискретных усилителей.
Методы исследования. При решении поставленных задач используются методы теории электрических цепей, ряды Фурье, математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений, теории случайных процессов, математической статистики, численного моделирования на ЭВМ. Достоверность полученных результатов обоснована совпадением теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна полученных результатов. Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
Предложена и разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей, предназначенная для их энергетических исследований. В ней напряжение и ток питания усилителей являются: одно (любое) непрерывной, а другое — дискретной функцией представления усиливаемого колебания. Такая модель описывает все известные в настоящее время способы построения аналого-дискретных усилителей.
Уточнены и обобщены математические модели речевого и музыкального сигналов, предназначенные для энергетических исследований усилителей. Они учитывают изменение уровня сигналов, подаваемых на вход усилителя мощности, и их амплитудные ограничения как наиболее характерный вид искажений, возникающих в реальных каналах связи. Это необходимо для оптимального проектирования аналого-дискретных усилителей (выбора числа уровней квантования сигнала, соотношения напряжения питания каналов и т.д.) и позволяет объективно оценивать их энергетические характеристики в условиях реальной эксплуатации.
3. Предложены, разработаны и исследованы новые методы построения
энергетически высокоэффективных усилителей, учитывающие статистические
свойства реальных вещательных сигналов и условия эксплуатации усилителей:
смешанного режима с адаптивным источником питания первого канала;
с регулируемым источником питания, напряжение которого изменяется синхронно и пропорционально коэффициенту передачи усилителя.
4. На основе обобщенной модели аналого-дискретных усилителей с
учетом специфики построения устройств разработаны математические модели:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы
переключаемых каналов и искусственными источниками питания;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным
источником питания первого канала;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с адаптивным
источником питания первого канала.
Исследован КПД различных типов усилителей (включая режимы В и D) при реальных сигналах. Изучено влияние на него уровней ограничения сигналов, режимов работы и т.д. Выбраны оптимальные режимы работы аналого-дискретных усилителей. Даны рекомендации по их инженерному проектированию. Полученные результаты подтвердили перспективность применения таких усилителей. В ряде из их типов КПД достигает 90%, при этом большую часть времени сигнал передается без специфических искажений, присущих режиму D, что позволяет существенно повысить качество звукоусиления.
Рассмотрены причины снижения и разработаны методы повышения качественных показателей усилителей при сохранении их высокой энергетической эффективности.
Таким образом, введение обобщенной математической модели аналого-дискретных усилителей, а также уточнение и обобщение моделей речевого и музыкального сигналов, предназначенных для энергетических исследований, привели к разработке теории таких усилителей, позволяющей с единых позиций целенаправленно разрабатывать принципы их построения, рассчитывать оптимальные режимы работы усилителей, исследовать энергетические характеристики при гармоническом и вещательных сигналах, выбирать оптимальными число и соотношения напряжения источников питания каналов и т.д.
Практическая ценность диссертации
1. В результате выполненных исследований определены оптимальные
режимы и области наиболее целесообразного использования каждого из типов
аналого-дискретных усилителей. Разработана методика их инженерного расчета.
2. Разработано более 30 технических решений, позволяющих в
зависимости от требований, задаваемых при проектировании усилителей,
оптимизировать варианты их построения (использовать трансформаторные или
бестрансформаторные усилители, применять искусственные источники питания
первого или второго каналов и т.д.) для наиболее полного использования
достоинств, присущих данным усилителям. Двадцать из разработанных
технических решений признаны изобретениями, на которые выданы авторские
свидетельства СССР или патенты РФ и одно подтверждено свидетельством РФ
на полезную модель.
Из рассмотренных в диссертации типов усилителей 12 доведены до практических схем реализации, испытаны экспериментально и подтвердили свою высокую экономичность. В них выигрыш в КПД по сравнению с режимом В не только достигает, но и превышает двойной, некоторые из которых внедрены, остальные могут быть рекомендованы для промышленного производства.
Показано, что аналого-дискретные усилители могут быть эффективно использованы в источниках бесперебойного питания.
Использование полученных в диссертационной работе результатов.
Выполненное исследование статистических свойств речевого сигнала использовано при разработке «Устройства автоматического контроля уровня вещательных программ». Последнее изготовлено и успешно эксплуатируется в Волгоградском областном радиотелевизионном передающем центре (ОРТПЦ). За эту разработку автор награжден Золотой медалью ВДНХ СССР. Разработанные энергетически высокоэффективные усилители применены в контрольных, звуковых агрегатах, эксплуатируемых Волгоградским ОРТПЦ; в
устройстве аварийного оповещения Волгоградского радиоцентра, в разработках ООО «Лаборатория лазерной метрологии»; в оборудовании, используемом в Управлении связи, спецтехники и автоматизации Главного управления внутренних дел Санкт-Петербурга и Ленинградской области, а также в Главном управлении по делам ГО и ЧС Санкт-Петербурга.
Экономичный усилитель для электромегафона использован ОАО «ИРПА им. А.С. Попова» при разработке мегафонов различного назначения (аварийного авиационного, для нужд МВД и т.п.). Разработанный энергетически высокоэффективный усилитель применен в выпускаемой серийно ПО «Весна» (г. Днепропетровск) сигнально-громкоговорящей установки СГУ-100М. Результаты выполненных исследований и предложенные варианты экономичных усилителей использованы в ряде методических разработок по соответствующим дисциплинам, предназначенных для обучения студентов радиотехнических специальностей вузов, а также применены в учебных процессах Нижегородского государственного технического и Волгоградского государственного педагогического университетов, что подтверждается соответствующими актами. Некоторые результаты использованы при написании учебника Павлова В.Н., Ногина В.Н. «Схемотехника аналоговых электронных устройств» (М.: Радио и связь, 1997, 2001,2002, рекомендованного для студентов радиотехнических специальностей вузов РФ).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Обобщенная математическая модель аналого-дискретных усилителей для исследования их энергетических характеристик и разработанные на ее основе с учетом специфики принципов построения устройств модели:
- двухканальных усилителей с аналоговым режимом работы
переключаемых каналов и искусственными источниками питания;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с фиксированным
источником питания первого канала;
- усилителей смешанного (линейно-ключевого) режима с адаптивным
источником питания первого канала.
2. Обобщенные математические модели речевого и музыкального
сигналов, предназначенные для энергетического исследования
усилителей.
3. Разработанные принципы и предложенные методы построения
усилителей:
- с искусственными источниками питания каналов;
- с адаптивным источником питания первого канала в усилителе
смешанного режима;
- с регулируемым источником питания, напряжение которого изменяется
синхронно и пропорционально коэффициенту передачи усилителя по
напряжению.
4. Результаты исследования энергетической эффективности и
качественных показателей аналого-дискретных усилителей, использующих
различные принципы и методы построения.
5. Рекомендации по выбору режимов работы и областей применения
рассмотренных устройств.
6. Предложенные схемотехнические варианты энергетически
высокоэффективных усилителей, реализующие их достоинства, практическая
реализация усилителей.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных конференциях: «100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники», М. 1995; 1-st IEEE International Conference On Circuit And Systems For Communication (ICCSC-2002), SPb, 2002; всероссийских конференциях: «Радиоприем и обработка сигналов», Н.Новгород, 1993; «Перспективы и развитие радиоприемной, электроакустической, студийной и звукоусилительной техники», СПб, 1993;
«Информационные системы и технологии (ИСТ-2001)», Н.Новгород, 2001; «Состояние и перспективы развития энергетики связи (СПРЭС-2001)», СПб, 2001; «Методы и средства измерений», Н.Новгород, 2002; региональных конференциях: НТК, посвященная Дню радио, Ростов-на-Дону, 1992; 54 и 55 НТК СПбГУТ. СПб, 2002, 2003.
Публикации. Результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 73 работах, среди которых 1 монография, 30 статей, 21 авторских свидетельств СССР, патентов и свидетельств РФ.
Основное содержание работы.
Первая глава посвящена обобщению и развитию теории построения аналого-дискретных усилителей. В ней на основе анализа известных и предложенных автором технических решений разработана обобщенная математическая модель аналого-дискретного усилителя. Выполнены исследования и анализ статистических свойств реальных речевого и музыкального сигналов, которые позволили уточнить и обобщить их математические модели, предназначенные для исследования энергетических характеристик усилителей. Такие модели учитывают как величину уровня сигналов, подаваемых на вход усилителя, так и степень их амплитудного ограничения, возникающего при прохождении колебаний по реальным каналам связи. На основе введенных математических моделей выполнено исследование КПД аналого-дискретных усилителей при различных видах сигналов, их уровнях и степени амплитудного ограничения. Определены оптимальное число каналов усиления и величины их относительных напряжений питания. Показано, что для всех видов исследованных сигналов оптимальными являются усилители с двумя переключаемыми каналами, в которых относительное напряжение питания первого канала aej = 0,3 или 0,5. Они обеспечивают
близкий к максимальному выигрыш в КПД и отличаются наибольшей простотой в реализации.
Во второй главе исследуются усилители режима ВС с искусственными источниками питания каналов. Такие усилители позволяют разрабатывать бестрансформаторные усилители режима ВС, используя для их питания только одну батарею. Наиболее перспективными среди них являются усилители с искусственным источником питания второго канала, которые позволяют разрабатывать бестрансформаторные усилители с амплитудой напряжения на нагрузке в 2 или 3 раза большей, чем напряжение питания плеча усилителя. Разработана математическая модель усилителя с искусственными источниками питания первого и второго каналов, предназначенная для энергетических исследований усилителей, проанализированы их режимы работы при различных видах усиливаемых сигналов (гармоническом, речевом и музыкальном с различными уровнями их амплитудного ограничения). Найдены величины максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке, формируемые каждым из каналов. Показана перспективность использования таких усилителей для усиления гармонических и радиовещательных сигналов. Установлено, что для обеспечения в усилителях при этих видах колебаний напряжения пульсаций искусственных источников, меньших 1%, необходимо нормированную постоянную времени цепи заряда накопительного конденсатора питания Тз/Г выбрать: для искусственных источников первого канала - х^Т> 0,1; для искусственных источников второго канала - т3/Г> 0,3.
Третья глава посвящена исследованию усилителей смешанного режима, состоящих из двух каналов усиления: первый из них работает в режиме АВ, а второй - в режиме D. Это позволяет сочетать повышенные значения КПД такого усилителя с ослаблением или полностью устранением недостатков, присущих преобразованию аналогового сигнала в ШИМ-колебание. Изучены усилители как с фиксированным, так и предложенным адаптивным источниками питания. Разработана энергетическая математическая модель усилителя, исследованы максимально достижимая амплитуда напряжения на
нагрузке, КПД усилителя, мощности потерь в его элементах при различных видах усиливаемых сигналов: гармоническом, речевом, музыкальном с различными уровнями и величинами их амплитудного ограничения. Изучены изменения энергетических характеристик усилителей, происходящие при изменениях уровня сигнала, степени амплитудного ограничения и пик-фактора колебания, а также при различных режимах работы активных элементов, при разной величине относительного напряжения питания первого канала и при применении реальных элементов. В результате установлено, что при использовании фиксированного напряжения питания первого канала его квазиоптимальные значения находятся в интервале aei = 0,1 — 0,2.
Показано, что использование адаптивного напряжения питания первого канала позволяет при усилении амплитудно-ограниченных сигналов (что характерно для реальных условий эксплуатации) обеспечивать их большую защищенность от недостатков, характерных для ШИМ-преобразования, чем в усилителях с фиксированным питанием первого канала. Например, при использовании в усилителе типовых элементов с увеличением степени ограничения сигнала с а = 0 дБ до а = -7 дБ относительная длительность сигнала не подвергшегося ШИМ-преобразованию уменьшилась с 84,3 до 78,8%, в тоже время в усилителях с фиксированным напряжением питания, имеющем то же первоначальное значение Е\, она уменьшается с 84,3 до 66,7%.
В четвертой главе рассмотрены вопросы обеспечения в усилителях режима ВС заданных качественных показателей. Проанализированы причины возникновения дополнительных нелинейных искажений и методы их снижения. Получены математические выражения для расчета коэффициента гармоник, приведены методика и практический пример его расчета. Показано, что высокие качественные показатели могут быть получены в аналого-дискретных усилителях при тех же требованиях к частотной характеристике и нелинейным искажениям каналов, что и в усилителях режима В. Приведены результаты субъективной оценки качества звучания разработанного усилителя,
выполненной методом парных сравнений, показывающие высокое качество воспроизводимого усилителем радиовещательного сигнала.
В пятой главе рассмотрены разработанные варианты предложенных схемотехнических реализаций энергетически высокоэффективных усилителей, позволяющие всесторонне использовать достоинства аналого-дискретных усилителей. Двадцать из них признаны изобретениями, на которые выданы авторские свидетельства СССР или патенты РФ, и одно подтверждено свидетельством РФ на полезную модель. Приведена методика инженерного расчета усилителей, рассмотрены особенности их проектирования. Показано, что во всех разработанных усилителях в условиях радиовещательных сигналов среднеэксплуатационный КПД в 2 - 3 раза больше, чем в усилителях режима В. Это подтверждается результатами практической эксплуатации усилителей. Разработано более 30 типов устройств, которые позволяют наиболее полно и всесторонне использовать все присущие данным усилителям достоинства.
В заключении констатируется, что основным результатом работы является обобщение и развитие теории, методов анализа аналого-дискретных усилителей, разработка принципов и новых методов их построения, исследование усилителей, позволившие получить в них наибольший выигрыш в КПД. На основе полученных результатов исследований делается вывод о перспективности использования аналого-дискретных усилителей в технике звукоусиления и целесообразности рекомендации разработанных в диссертации технических решений для внедрения в промышленное производство.
Математические модели используемых испытательных сигналов
При исследованиях РЭА в качестве испытательных традиционно используются гармонические колебания. Однако измеряемые при этом энергетические характеристики оборудования, как правило, не соответствуют данным, получаемым на том же оборудовании в условиях реальных радиовещательных программ. Это заставляет анализировать энергетические показатели усилителей при других видах сигналов.
Испытательные сигналы, как правило, представляются в виде функции времени, как наиболее привычной и аппаратно просто реализуемой. Но, как упоминалось выше, в ряде случаев оказывается предпочтительным рассмотрение колебаний как функции их возможных мгновенных значений. Такое представление отражает распределение интервалов времени, в течение которых колебание принимает заданное мгновенное значение, и в условиях вещательных сигналов (речевых, музыкальных) соответствует плотности распределения вероятности их мгновенных значений w(x). Ее использование для расчета энергетических показателей аппаратуры иногда предпочтительно, так как в ряде случаев соответствующие значения сигнала измеряются наиболее просто, а данные расчета отражают реальные энергетические характеристики оборудования.
Сигнал, поступающий на вход усилителей мощности, как правило, симметричен, поэтому для его описания достаточно рассмотреть распределение колебания в течении одного полупериода. Анализ условий возникновения сигналов позволяет предполагать, что наиболее часто используемые из них, могут быть представлены с энергетической точки зрения в обобщенном виде.
Как известно [21, 22], аппарат речевого звукообразования эквивалентен колебательной системе, возбуждаемой импульсами, следующими с частотой основного тона - частотой колебания голосовых связок человека. При произнесении звуков артикуляционные изменения аппарата изменяют резонансную частоту и добротность системы, усиливая одни составляющие и ослабляя другие. Поэтому испытательные сигналы, эквивалентные реальным речевым и предназначенные для оценки энергетических показателей аппаратуры, по-видимому, можно представить в виде гармонического колебания с амплитудой, меняющейся по определенному закону. При выборе музыкального испытательного сигнала нетрудно отметить, что большинство музыкальных инструментов снабжены резонаторами, поэтому извлекаемые из них звуки также приближаются к гармоническим с переменной амплитудой. Это относится и к пению, как к мелодичному воспроизведению речевого сигнала.
Таким образом, обобщенный испытательный сигнал может быть представлен в виде гармонического, амплитуда которого изменяется по определенным законам.
Сигнал будем представлять функцией его мгновенных значений, обозначая w(x) и подразумевая под ней: для случайных сигналов - плотность распределения вероятности их мгновенных значений; для детерминированных сигналов - его аналитическое описание. В общем виде, учитывая симметричность сигнала, для обеих полуволн временная зависимость колебания wK0Jl(x) от его мгновенных значений [23] где Au - текущая (т.е. за один период) амплитуда гармонического колебания; PA(4U) - плотность распределения вероятностей текущей амплитуды сигнала; А итах нормированное относительно предельного максимально возможное значение амплитуды; х (О х 1) — нормированное мгновенное значение сиг \Іпі4 г2 нала; сомножитель l/ті Ац-х - соответствует представлению гармонического сигнала в виде функции от «х» [23].
Рассмотрим и учтем характерные изменения, претерпеваемые плотностью распределения вероятности мгновенного значения речевого сигнала при прохождении его от источника программы до выхода усилителя. Очень часто, особенно в условиях вещательных программ, сигнал, выделяющийся в нагрузке усилителя, оказывается ограниченным по амплитуде. Это связано как с выбором неоптимальным коэффициента усиления тракта, так и с применением в нем устройств обработки сигналов (амплитудных ограничителей — пикосреза-телей и т.д.). Последние используются, например, для предотвращения амплитудной перегрузки тракта, а так же вводимого в некоторых случаях преднамеренно сужения динамического диапазона сигнала. В этом случае длительность присутствия сигнала с максимальной амплитудой в нагрузке увеличивается, и приведенная выше формула принимает вид Hx) = wKOJl(x) + b(x-a)[w(l)-W(a)l (1.13) гдея= Ummax/UHmax(ci 1) - коэффициент, показывающий относительный уровень амплитудного ограничения сигнала, Ummax — максимальное реально достижимое значение напряжения на нагрузке, величина которого ограничена лишь напряжением питания и остаточными напряжениями на активных элементах схемы, Uttmax - максимальное мгновенное значение сигнала, действо вавшего бы на RH при устранении ограничения величины напряжения питания,
Усилители с искусственным источником питания второго канала
К усилителям с искусственным источником питания второго канала будем относить схемотехнические варианты, в которых энергоемкий конденсатор используется в качестве источника питания как всего канала, так и одного из его плеч. На рис.2.2 приведена упрощенная принципиальная схема такого усилителя. В нем конденсаторы С используются в качестве источника питания каждого из плеч второго канала. При переключении переключателя Si в нижнее положение происходит заряд конденсатора С, при переключении в верхнее -использование его для питания верхнего плеча усилителя. Аналогичные процессы происходят и в нижнем плече. В таком усилителе напряжение питания плеча удваивается, что приводит к соответствующему увеличению максимально достижимой амплитуды напряжения на нагрузке. Если после заряда С переключением Si конденсатор подключать не к общему выводу батарей питания, а к положительному полюсу верхней батареи, то напряжение питания плеча утраивается. В этом случае мощность, формируемая в нагрузке, будет в 9 раз больше, чем в обычном полумостовом усилителе [10].
Иногда в качестве источника питания одного из плеч используется батарея питания, а в качестве другого - накопительный конденсатор. В этом случае плечи оказываются несимметричными, и максимально достижимая амплитуда напряжения на нагрузке Ummax будет определяться тем из них, в котором используется конденсатор. При всех значениях выходного напряжения Um Ummax формулы расчета КПД такого усилителя и рассчитанные по ним графики для любых сигналов будут совпадать с аналогичными данными (см. гл. 1) для устройств, использующих во втором канале автономные батареи питания с фиксированными напряжениями. Поэтому анализ энергетической эффективности усилителя сводится к отысканию величины Ummax и рассмотрению влияния на нее различных факторов (вида усиливаемого сигнала, наиболее распространенных интервалов заряда конденсатора, величины его емкости, параметров элементов цепей перезаряда и др.).
Как указывалось выше, рассматриваем случай двухканального усилителя, как наиболее перспективного, хотя аналогичный анализ легко распространить и на я-канальный вариант. Особенности записи энергетического баланса заряда и разряда энергоемкого конденсатора, примененного в качестве источника питания второго канала, обусловлены видом усиливаемого сигнала и интервалом времени заряда конденсатора. Последний в известных в настоящее время схемотехнических вариантах усилителей, наиболее часто занимает время работы либо только другого плеча: второго или первого каналов, или их обоих, либо и весь нерабочий для канала отрезок периода. Предположим, что в качестве испытательного используется гармонический сигнал, формирующий в Ян выходное напряжение u(i) = Ummax sin со/.
Тогда уравнение указанного баланса, при котором формируется часть выходного колебания от t = t\ до t = 774, при заряде конденсатора через транзистор, работающий в ключевом режиме в перечисленные ранее интервалы, может быть записано так [47]:
Здесь /3 - максимальный ток заряда, Тз = RiC — постоянная времени цепи заряда, /?з — суммарное сопротивление цепи заряда. Соответствующая замена, производимая этими выражениями в (2.2), приводит к возможности использования получаемых формул в качестве математических моделей рассматриваемых усилителей для исследования их энергетических характеристик. Интегрирование левой и правой частей (2.4) - (2.7) позволяют баланс средних токов представить в виде: ImQc = hQi- где при гармоническом сигнале длительность работы, фаза переключения каналов и максимально возможная амплитуда, формируемая первым каналом.
При других интервалах заряда приводимые ниже рассуждения не изменятся. В них лишь в качестве Q$ нужно будет подставить значения, вычисленные по формулам, аналогичным (2.9) - (2.12), в которых в правых частях в качестве пределов интегрирования будут указаны соответствующие интервалы заряда.
При использовании в рассматриваемых случаях конденсатора конечной емкости в качестве источника питания второго канала учитываем, что напряжение на нем при максимальной амплитуде колебания Uc cmin + AUc/2, где
Ucmin - минимальное напряжение на конденсаторе, достигаемое в момент окончания использования его в качестве источника питания. На рис.2.3 показаны формы напряжений на нагрузке и энергоемком конденсаторе при заряде его в нерабочую для канала часть периода. Величина изменения напряжения на конденсаторе при его разряде
Энергетическая эффективность усилителя смешанного режима при музыкальном сигнале
При рассмотрении энергетической эффективности усилителя смешанного режима при реальном музыкальном сигнале воспользуемся плотностью его распределения wM(x), принятой в (1.25), а также введенными выше математиче о ской моделью усилителя (3.2), обозначениями, допущениями и формулами мощностей потерь в его элементах за период тактовой частоты (3.26).
В этом случае мощность потерь в ключевых транзисторах обоих плеч за время работы второго канала, обусловленная их сопротивлением насыщения:
Приведенные формулы являются общими, позволяющими рассчитать КПД усилителя смешанного режима для всех, рассмотренных в 1.2.3, частных случаев реального музыкального сигнала.
На рис.3.6 приведены графики зависимости КПД реального усилителя (при типовых значениях 62= 6с = 61 = Єї = zj= 0,03 и Ьо\ = 6 2 = туТп = 0,04) от относительной амплитуды колебания C,max, рассчитанные по (3.47), (3.48) для сигналов с граничными и средним значениями диапазона изменения пик-фактора-77=3, 6, 9. Расчет проводился при двух величинах уровня ограничения (а = 0 дБ - неограниченный сигнал и а = -3 дБ — максимальное типовое значение степени ограничения). При этом величина агі выбрана равной a?i = 0,15 — как среднее значение диапазона оптимальных величин, характерных для уси
КПД усилителя при ограниченном по амплитуде музыкальном сигнале ления речевого сигнала. Из рассмотрения графиков видно, что при воспроизведении колебаний с большим значением Я, усилитель имеет меньший КПД. Это обусловлено концентрацией мгновенных значений сигнала в области малых величин, что вызывает увеличение продолжительности работы аналогового канала, и попадает в область существенного снижения энергетической эффективности усилителя режима D.
При уменьшении Стах получаемый выигрыш увеличивается. Так при Стах = 1 КПД усилителя для сигналов с пик-фактором Я = 3 составляет 88,69%, для П=6- 81,04%, а для Я = 9 - 71,74%. Если амплитуду усиливаемого колебания уменьшить до Стах = 0,3, то приводимые величины составят соответственно: для Я = 3 - 64,84%, для Я = 6 - 43,53%, а для Я = 9 - 30,27%. Таким образом, выигрыш в КПД при указанном уровне сигнала при уменьшении пик-фактора сЯ=9доЯ=3 достигнет 2,14 раза, в то время как при Стах = 1 он со" ставит только 1,24 раза. Эта тенденция сохраняется и при использовании ограниченных сигналов. В них также степень возрастания КПД пропорциональна пик-фактору, амплитуде колебания и уровню ограничения сигнала. Например, для Стах = 0,1 и Я = 3 увеличение степени ограничения с а = 0 дБ до а = -3 дБ приводит к возрастанию КПД на 25%, для Я = 6 - на 28,5%, для Я = 9 - на 29,14%. Те же значения, рассчитанные для Стах = 1» составят соответственно: для Я = 3 - 1,88%; для Я = 6 - 5,42%; для Я = 9 -9,91%. Это объясняется смещением участка основной концентрации сигнала при возрастании степени его ограничения в область больших мгновенных значений, где работает усилитель режима D.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что в дальнейшем для энергетической оценки применения таких усилителей целесообразно рассматривать колебания с 77= 9.
Субъективная (экспертная) оценка качества разработанного усилителя режима ВС
КПД усилителя с адаптивным источником питания при гармоническом сигнале идет выше, что объясняется рассмотренным ранее уменьшением напряжения питания аналогового канала и вызываемым им увеличением длительности работы ключевого канала. С уменьшением относительной амплитуды напряжения на нагрузке (тах) величина г резко уменьшается, причем тем быстрее, чем больше относительная длительность работы ключевого канала, а значит, в большей степени сказывается влияние действующих в нем потерь.
Если в (3.69) пренебречь всеми остаточными напряжениями, величиной дифференциальных сопротивлений всех используемых транзисторов и диодов, а так же инерционностью переключения (т.е. положить все є = 5 = туТп = 0), то получим значение предельного КПД усилителя смешанного режима с адаптивным источником питания первого канала при прохождении через него гармонического колебания с постоянной амплитудой. В этом случае (3.69) примет вид
Вычисленные по формуле (3.70) графики т приведены также на рис.3.14, (кривые 1 и 2). Здесь график 1 рассчитан при Ьц/Ь3 = 1, а 2 — Ьц/Ь3 = 0,2. Из их рассмотрения видно, что как и раньше, увеличение длительности работы ключевого канала, обусловленное уменьшением напряжения питания аналогового, существенно сказывается на TJ. Однако, в отличие от графиков 3 и 4, с изменением тах КПД усилителя изменяется менее существенно. Это объясняется влиянием на его величину только потерь, определяемых режимом работы аналогового канала, а не обусловленных реальными параметрами используемых компонентов.
Рассмотрим работу усилителя при воспроизведении речевого сигнала. Принцип его построения позволяет сделать вывод о наибольшей целесообразности использования такого усилителя при усилении сигналов максимальных амплитуд. Действительно, при уменьшении тах происходит автоматическое снижение напряжения питания аналогового, а значит удлинение времени работы ключевого каналов. Это приводит не только к повышению КПД, но и к уменьшению части колебания, защищенной от специфических искажений режима D. Например, такие усилители нецелесообразно применять в вещательных радиоприемниках, в которых, как известно, уровень реально прослушиваемых программ значительно меньше максимально возможного. В них при уменьшении громкости звучания длительность работы ключевого канала по сравнению с усилителем с фиксированным источником питания аналогового канала увеличивается. Это хотя и приводит к повышению КПД, но одновременно увеличивает уровень ВЧ помех, что ограничивает применение рассматриваемых усилителей в устройствах с повышенной чувствительностью. При значительном уменьшении громкости эти показатели в пределе стремятся к значениям, характерным для режима D. Таким образом, усилители с адаптивным источником питания целесообразно применять в устройствах, динамический диапазон которых используется полностью, например, в звуковещатель-ных установках и мегафонах. Поэтому рассмотрение энергетической эффективности такого усилителя ограничим лишь этим случаем.
Воспользуемся плотностью распределения вероятности мгновенного значения реального речевого сигнала wP(x) из (1.19). Энергетический баланс работы каналов (равенство токов заряда и разряда блокировочного конденсатора) при усилении такого колебания определяется формулой (3.65). Подставим туда указанную плотность распределения вероятности и учтем, что в ней maxl = 1-В результате + Wmax к = (н/зХ тах єз-азотах а величина тах определяется по (3.63). Совместное решение его с (3.67) позволяет найти входящие в эти уравнения неизвестные величины. Вычисленные методом итераций значения maxl для типовых значений Єї = є2 = є3 = 52 = 5С = 0,03 и bD\ = dD2 = тУГп = 0,04 при отношении индуктивностей Ьц/L-s = 1 и LH/L3 = 0,2 приведены на рис. 3.15. Здесь и далее (до рис. 3.20) штриховые графики соответствуют усилителю с идеальными активными элементами (когда все є = 8 = т$ = 0), а сплошные — реальным типовым их значениям, указанным выше.
