CC BY
27Электронные блоки ЦБ и АБ реализованы аппаратно-программным методом на базе ПЛИС серии Max V фирмы Altera [4] и 8-ми разрядных универсальных микроконтроллеров. Умножение частоты дискретизации выполняется микросхемой программируемого преобразователя частоты SI5328 фирмы Silicon Lab [5].
Конструктивно аппаратура АБ выполнена на печатной плате габаритами 150x90 мм, а аппаратура ЦБ - на плате «Евромеханика-6Ц».
Принципы построения и технические решения, заложенные в разработку, обоснованы результатами лабораторных испытаний системы. В частности, были получены следующие результаты измерений основных параметров системы:
- энергетический запас ВОКТ - 37 дБ;
- вероятность ошибки приема оптического сигнала в ЦБ и АБ - не более 10-11;
- пиковый джиттер СЧД на выходе АБ - 2 нс;
- коэффициент нелинейных искажений стимулирующего сигнала на выходе АБ - не более 0,1 %;
- мощность потребления ЦБ - не более 2 Вт, АБ - не более 1,5 Вт.
Список используемых источников
1. Корякин Ю. А., Смирнов С. А., Яковлев Г. В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука, 2004. 410 с.
2. Рубанов И. Л. и др. Волоконно-оптическая система передачи информации для гидроакустической станции с буксируемой антенной // Подводные исследования и робототехника. 2013. № 2. С. 65-69.
3. Бухинник А. Ю., Коровин А. Н., Стефанов Ю. А., Щербатый П. Е. Принципы построения волоконно-оптической системы передачи информации для гидроакустических станций // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании. II Международная научно-техническая и научно-методическая конференция: сб. научных статей. СПб.: СПбГУТ, 2013. С. 684-687.
4. MAX V Device Handbook: Altera, 2011.
5. SI-53xx Family Reference Manual: Silicon Laboratories, 2013.
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЛЬТА-СИГМА МОДУЛЯЦИИ В КЛЮЧЕВЫХ УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ
А.А. Ганбаев, В.А. Филин
Проанализированы возможности усиления сигнала в ключевых усилителях мощности с использованием дельта-сигма (АН) модуляции. Проведено сравнение спектрального состава прямоугольных колебаний с АН-модуляцией и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Дана оценка нелинейных искажений сигнала для обоих случаев. Показано, что применение АН-модуляции в усилителях мощности на нитрид-галлиевых (GaN) транзисторах позволяет достигать высокого КПД при минимальных искажениях усиливаемого сигнала.
Ключевые слова: дельта-сигма (АЕ) модуляция, широтно-импульсная модуляция (ШИМ), усилитель мощности (УМ), амплитудный спектр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
APPLICATION OF THE DELTA-SIGMA MODULATION IN THE SWITCHING MODE POWER AMPLIFIERS
Ganbayev A., Filin V.
The possibility of signal amplification in switching mode power amplifiers using a delta-sigma (АЕ) modulation is analyzed. A comparison of the spectral structures of square waves with АЕ-modulation and pulse width modulation (PWM )is provided. The estimation of non-linear distortions of the signal in both cases is given. The use of АЕ-modulation in power amplifiers on gallium nitride (GaN) transistors permits to rich high efficiency and minimum distortions of the amplified signal.
Keywords: АЕ-modulation, pulse width modulation (PWM), power amplifier (PA), amplitude spectrum, analog-to-digital converter (ADC), digital-to-analog converter (DAC).
В исследованиях последних лет по ключевым транзисторным усилителям мощности вместо прямоугольных импульсов возбуждения, модулированных по длительности (ШИМ), предложено использовать импульсную последовательность, сформированную с помощью АЕ-модуляции [1]. В данной работе рассматриваются особенности работы такого модулятора в усилителе класса D, исследуется спектральный состав импульсов и осуществляется его сравнение со спектром ШИМ-импульсов.
На рисунке 1 приведена классическая схема АЕ-модулятора, широко используемая в системах цифровой обработки сигналов. Схема включает вычитающее устройство, интегратор, АЦП и ЦАП.
1ч
Рис. 1. Классический ЛЕ-модулятор
При усилении колебаний ключевыми методами нашел применение однобитный ЛЕ-модулятор [2, 3], схема которого показана на рисунке 2. В однобит-
ном ЛЕ-модуляторе в качестве АЦП используется компаратор, а в качестве ЦАП - аналоговый коммутатор.
Выходной код
Рис. 2. Однобитный ЛЕ-модулятор
Одним из основополагающих принципов ЛЕ-модуляции является превышение частоты Котельникова в K раз. При такой передискретизации эффективная разрядность, а соответственно, и отношение сигнал/шум, увеличивается
согласно формуле K = 2^, где K - коэффициент передискретизации, а N - количество дополнительных битов. За счет большего, чем при ШИМ количества переключений между '0' и '1', происходит эффект вытеснения шумов в ВЧ область, которые в итоге легче отфильтровать [2, 3].
В программе БАЗТМЕАК 6.0 была исследована схема дельта-сигма модулятора (рис. 3) и был рассчитан амплитудный спектр выходного сигнала (рис. 4).
С1
1 пФ
Рис. 3. Схема однобитного ЛЕ-модулятора в БАВТЫБАК 6.0
Рис. 4. Амплитудный спектр на выходе ^-модулятора
Аналогично была исследована схема широтно-импульсного модулятора (рис. 5) и получен амплитудный спектр (рис. 6) для сравнения его со спектром прямоугольных колебаний на выходе ^¿-модулятора.
Рис. 5. Схема ШИМ в БАБТМЕАК 6.0
Проводилось моделирование процессов в ключевом усилителе мощности класса Б с применением драйвера, работающего по принципу АЕ-модуляции (рис. 7), а также традиционного драйвера с широтно-импульсной модуляцией (см. рис. 8).
Рис. 7. Схема усилителя с использованием Л7-модулятора
р\ут 200 кГц
Т
К1 100
исмещ 1 В
имодушр
0.9 Б / 20 кГц / □ град
Усиливаемый сигнал НЧ
И 5.6 Ом
Транзисторный ключ
ьф €.1 мГн
_ГЧ'УУЛ_
_ Сф
" 0.6 МКФ
О
Кн
5 Ом
Рис. 8. Схема усилителя с использованием ШИМ
Шит 150 В
Источник питания
Для данных схем усилителя класса Б были рассчитаны коэффициенты нелинейных искажений (ТИБ) выходного сигнала (рис. 9 и 10).
Рис. 9. Временная диаграмма на выходе усилителя с использованием АЕ-модулятора
Рис. 10. Временная диаграмма на выходе усилителя с использованием ШИМ
Для усилителя с использованием ^¿-модулятора коэффициент нелинейных искажений составил 0,92 %, а при использовании ШИМ - 3,33 %.
Таким образом, выполненный анализ подтверждает, что усилитель класса D с аналоговой ШИМ не позволяет реализовать высококачественное усиление сигнала. Для снижения нелинейных искажений, как показывают проведенные исследования, следует перейти от ШИМ к ^¿-модуляции. Однако неизбежным следствием этого становится возрастание частоты переключения выходных транзисторов и снижение КПД из-за роста потерь при переключениях. Для преодоления этого недостатка представляется перспективным применение в качестве мощных ключей нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов, обладающих широкой рабочей полосой частот и температурной устойчивостью. Использование же ^¿-модулятора в качестве драйвера в этом случае позволяет обеспечить высокие качество усиления сигнала и КПД [1].
Список используемых источников
1. Dr Andrzej Samulak. System Analyses of Class-S Power Amplifier. Germany: Erlangen,
2010.
2. Baker, Bonnie. Delta-sigma ADCs in a nutshell. EDN, 2007, pg 22.
3. Baker, Bonnie. Delta-sigma ADCs in a nutshell, part 2: the modulator. EDN, 2008, pg 24.
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ НА ВЫХОДЕ ИДЕАЛЬНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ С ЗОНОЙ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
О.В. Косарев
Снижение разрядности обрабатываемых данных в устройствах обработки радиолокационных сигналов является актуальной задачей, несмотря на рост производительности вычислительных устройств. Предельным случаем снижения разрядности является бинар-
