ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЛЬТА-СИГМА МОДУЛЯЦИИ В КЛЮЧЕВЫХ УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Электронные 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-