На основі математичної моделі музичних мовних сигналів розглянуто ККД аналого-дискретних підсилювачів звуковий частоти при відтворенні як неспотворених коливань, так і коливань, які зазнали амплітудному обмеження при їх проходженні по каналах зв'язку. Знайдено граничні значення ККД, що дозволяють оцінювати реальні енергетичні показники таких пристроїв.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Догадин Н.Б., Ногін В.Н.


Maximum Power Efficiency of Analog-Discrete Amplifiers an Analog Mode of Channels at Reproduction of Musical Broadcasting Signals

On the basis of a mathematical model of the musical broadcasting signals both the efficiency of analog-discrete amplifiers by reproduction of either the undistorted signals or undergone restriction when passing through the channels is considered. The calculated results allow evaluating the power efficiency of amplifiers in the real conditions of work.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2004
    Журнал
    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка
    Наукова стаття на тему 'МАКСИМАЛЬНИЙ ККД АНАЛОГО-ДИСКРЕТНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ З аналоговому режимі РОБОТИ КАНАЛІВ ПРИ відтворення музичних організацій мовлення СИГНАЛОВ'

    Текст наукової роботи на тему «МАКСИМАЛЬНИЙ ККД АНАЛОГО-ДИСКРЕТНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ З аналоговому режимі РОБОТИ КАНАЛІВ ПРИ відтворення музичних організацій мовлення СИГНАЛОВ»

    ?Т Системи телекомунікації, пристрої передачі, прийому і обробки сигналів

    УДК 621.375.146

    Н. Б. Догадин

    Волгоградський державний педагогічний університет

    В. Н. Ногін

    Нижегородський державний технічний університет

    Максимальний ККД аналого-дискретних підсилювачів з аналоговим режимом роботи каналів при відтворенні музичних мовних сигналів

    На основі математичної моделі музичних мовних сигналів розглянуто ККД аналого-дискретних підсилювачів звукової частоти при відтворенні як неспотворених коливань, так і коливань, які зазнали амплітудному обмеження при їх проходженні по каналах зв'язку. Знайдено граничні значення ККД, що дозволяють оцінювати реальні енергетичні показники таких пристроїв.

    Підсилювачі потужності звукових частот, аналого-дискретні підсилювачі, ККД підсилювачів, імовірнісна модель музичного сигналу

    В даний час одними з найпоширеніших серед енергетично високоефективних підсилювачів звукових частот (УЗЧ) є підсилювачі режиму Б. Однак властиві їм недоліки (широкополосность спектра формованої послідовності широт-но-імпульсної модуляції (ШІМ), яка погіршує електромагнітну сумісність; складність реалізації досить глибокої негативного зворотного зв'язку в широкосмугових підсилювачах; наявність статичних та динамічних втрат, істотно погіршують ККД підсилювача режиму Б при малих амплітудах сигналу і ін.) обмежують область їх застосування в основному пристроями, призначеними для посилення низьких частот звукового діапазону (сабвуферамі). Тому актуальною є розробка підсилювачів, енергетична ефективність яких порівнянна з підсилювачами режиму Б, але забезпечують якісні показники у всьому діапазоні звукових частот. Саме до них відносяться аналого-дискретні підсилювачі.

    Такі підсилювачі складаються з декількох підсилювальних каналів, які працюють по черзі на загальне навантаження Ян (рис. 1). Перший канал, який має найменшу напруга живлення

    ?1, завжди працює в аналоговому режимі, а всі інші канали можуть працювати в різних режимах. Розглянемо випадок, коли всі канали працюють в аналоговому режимі. Напруги харчування каналів різняться збільшуються зі збільшенням номера каналу. При малих мгно-

    34

    © Н. Б. Догадин, В. Н. Ногін, 2004

    = Известия вузів Росії. Радіоелектроніка. 2004. Вип. 3

    УРС 2

    + Е,

    Ян

    1

    ських значеннях сигналу працює перший канал; при? + Е

    збільшенні вхідного сигналу і перевищенні ним рівня - N

    перемикання, що задається пристроєм розбиття сигналу (УРС), канал відключається і вхідний коливання починаючи- 0 + е2 ет посилюватися другим каналом при напрузі живлення Вхід останнього Е2 > Е ^. При подальшому збільшенні вхідного сигналу підключається третій канал, що має напругу харчування Е3 > Е2, і т. Д. Аж до останнього

    каналу, що має напругу харчування Е. Максимальний ККД такого підсилювача залежить від числа підсилювальних каналів, рівнів їх перемикання і виду підсилюється коливання. Розглянемо його величину при одному з основних компонентів мовної сигналу - музичному сигналі.

    Імовірнісна модель музичного сигналу, призначена для енергетичних досліджень підсилювачів, добре апроксимується функцією [1]:

    З ГТгт Л

    рис.1

    х

    (Х) = (ТшДтах) е ^ Х ^ тях + § [(| х | / Стах) - а

    е 4Жа - е-Тих

    де (х) - щільність розподілу ймовірності миттєвого значення музичного

    сигналу; х < 1 - нормоване щодо максимального миттєве значення сигналу; 0 < ?тах = і н / і н тах < 1 - відносна амплітуда напруги на навантаженні, що характеризує стан регулятора гучності; 5 [•] - одинична дельта-функція; а = (іт так / і н тах) < 1 - коефіцієнт, що показує рівень амплітудного обмеження сигналу, причому для неспотвореного коливання а = 1 (іт тах - максимальний реально досяжне значення напруги на навантаженні, обмежене лише напругою живлення і залишковими напруженнями на активних елементах схеми; і н тах - максимальний миттєвий значення сигналу на Ян, якби не було обмеження); П - пік-фактор, відповідний сигналу, який не має обмеження амплітуди. Як показують вимірювання, яке найчастіше зустрічається значенням пік-фактора є П = 6, а в діапазоні П = 3 ... 9 пік-фактор розподілений практично рівномірно, тому для дослідження доцільно вибирати середнє і граничні значення цього діапазону.

    Як показано в [2], ККД підсилювача, що складається з довільного числа підсилювальних каналів N при музичному сигналі може бути знайдений за формулою

    л / 2П?

    тах

    П =

    а (1 + 5кр)

    1 - е ~ а ^ і (а2П2 + аУ2П +1) + А2 (е_- е-л / 2и)

    П

    N

    X (®к "® к-1)

    к = 1

    1 + алп ^ тах к-1

    З

    - а4т-

    >тах до-1

    (1)

    тах у

    (Е ~ ^ 2П + а>р2Пе ~)

    де 5кр = гості / Ян - відносне опір насичення основного транзистора останнього підсилювального каналу, що обмежує максимальну напругу на навантаженні; N - число

    е

    підсилюючих каналів; ж к = Е ^ / Е - нормоване щодо максимального Е напруга живлення до-го каналу Е ^; З тах к = ит тах к / ит тах - нормований рівень перемикання к-го каналу (іт тах до - максимальна напруга, що формується в навантаженні до-м каналом; ит тах - максимальне значення підсилюється коливання); жо = 0; ж N = 1; ? тахо = 0.

    Однак в [2] розглянуто ККД підсилювача, що має тільки два і три підсилюючих каналу при найбільш схемотехнически просто реалізованих значеннях ж. Але в стаціонарній апаратурі, що живиться від електричної мережі, можна не тільки збільшити число каналів підсилювача, але і забезпечити будь-які наперед задані значення ж до, що дозволяє вибирати і ставити їх оптимальними, що забезпечують найбільші значення ККД. Знайдемо ці значення.

    Енергетично оптимальні величини відносних рівнів перемикання каналів і відповідний їм максимальний ККД підсилювача можуть бути знайдені дослідженням на екстремум знаменника формули (1) і знаходженням приватних похідних вираження, наведеного в ній під знаком суми. Розрахунок проведемо для ідеального підсилювача, в якому залишковими напруженнями на елементах можна знехтувати. В цьому випадку ^ тах = ^ і к = ж до.

    Рівні перемикання до можуть бути і незбіжними з жк, але умова С, до = ж до є оптимальним з енергетичної точки зору, так як забезпечує максимальне використання напруга живлення каналу. Для універсальності одержуваного вираження введемо величину С к = а42Пжк1, яку доцільно розглядати як змінну. В цьому випадку отримані значення можна поширити на будь-які величини а, П і

    Зміни будь-якого жк впливають на роботу двох сусідніх каналів, для яких відповідні величини рівні ж до - і ж до + 1. Тоді що виходить система складатиметься

    з (N -1) однотипних рівнянь, які можна записати у вигляді N-1

    X (1 + Ск-1) е-Ск-1 + Ск - Ск (1 + Ск + 1) -1

    к = 1

    -Сі

    де враховано, що жк. За цією формулою можна розрахувати оптимальні

    значення жк при будь-якому числі підсилюючих каналів і довільних значеннях Однак в статті обмежимося розглядом підсилювачів, аж до шестиканального, і величиною = 1, що дозволяє знайти максимальні значення їх ККД. Тоді для найбільшого

    номера каналу? = Ж N = 1.

    В результаті вирішення зазначеної системи рівнянь, виконаної чисельними методами за допомогою ЕОМ, знайдені оптимальні значення ж до для підсилювачів з 2 ... 6 каналами, підстановкою яких в (1) розраховані максимальні ККД підсилювачів при різних рівнях обмеження музичного сигналу, що має П = 6 (рис. 2). З наведених графіків видно, що збільшення числа каналів значно збільшує ККД при відсутності обмеження сигналу, причому більшу приріст ККД відбувається при меншій кількості каналів. Так, для необмеженого сигналу (а = 0 дБ) при введенні другого каналу посилення збільшення ККД в порівнянні з режимом У (відповідним 36

    Пі

    0.8

    0.6

    0.4

    кривої 1) становить 2.08 рази. Введення третього каналу призводить до зростання ККД в порівнянні з режимом У в 2.64 рази. Додавання четвертого каналу збільшує виграш в ККД до 3 разів, п'ятого -до 3.2 рази, а шостого - до 3.36 рази. У той же час збільшення рівня обмеження сигналу а найбільш сильно підвищує ККД при N = 2. Зі збільшенням а виграш в ККД при збільшенні числа каналів зростає повільніше, що пояснюється підвищенням ступеня прямоугольности сигналу.

    Максимальні ККД підсилювачів при П = 3 і 9 наведені в табл. 1. З даних таблиці видно, що виграш в ККД у порівнянні з підсилювачем режиму в значній мірі залежить від пік-фактора коливання. Так, наприклад для необмеженого за амплітудою сигналу з П = 3, шестиканальний підсилювач забезпечує виграш в ККД у порівнянні з підсилювачем режиму В в 2.07 рази, а з П = 9 - в 4.86 рази. При цьому абсолютні значення ККД зближуються, їх відносне розходження для шестиканального підсилювача становить лише 8.9%, в той час

    Таблиця 1

    0.2

    а, дБ

    - 15

    - 10 Рис. 2

    - 5

    0

    а, дБ

    п N 0 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -20

    П

    1 0.406 0.541 0.658 0.751 0.821 0.873 0.910 0.928

    2 0.614 0.716 0.795 0.855 0.897 0.928 0.949 0.960

    3 3 0.713 0.793 0.853 0.896 0.927 0.949 0.964 0.972

    4 0.772 0.837 0.885 0.920 0.944 0.961 0.972 0.978

    5 0.810 0.865 0.906 0.934 0.954 0.968 0.977 0.982

    6 0.838 0.885 0.920 0.944 0.961 0.973 0.981 0.985

    1 0.157 0.222 0.310 0.421 0.540 0.652 0.744 0.793

    2 0.421 0.477 0.549 0.633 0.718 0.792 0.850 0.881

    9 3 0.571 0.612 0.666 0.731 0.796 0.851 0.894 0.915

    4 0.662 0.692 0.735 0.787 0.840 0.884 0.917 0.934

    5 0.721 0.745 0.780 0.824 0.868 0.904 0.932 0.946

    6 0.763 0.783 0.812 0.850 0.887 0.919 0.942 0.955

    як для підсилювача режиму В воно перевищує 2.58 рази. Це пояснюється вирівнюванням в аналого-дискретних підсилювачах потужностей втрат, розсіюються в активних елементах різних каналів. Однак, як зазначалося, в мовній музичному сигналі найбільш часто зустрічаються коливання з П = 6, тому при проектуванні підсилювачів доцільно орієнтуватися саме на такі коливання.

    Оптимальні значення ж, що забезпечують максимальний ККД підсилювача птах при П = 6, наведені в табл. 2. З неї випливає, що значення ж ^ залежить від рівня амплітудного обмеження сигналу, причому ця розбіжність найзначніше при невеликих рівнях обмеження. У міру збільшення прямоугольности коливання (зменшення величини а) значення ж ^ для одних і тих же каналів зближуються. Однак на практиці значення

    ж ^ встановлюються при розробці підсилювачів і в процесі їх роботи не змінюються. Тому доцільно оцінити величину зменшення ККД підсилювачів при фіксованих значеннях ж ^, обраних оптимальними по одному з критеріїв. Як його можна

    прийняти необмежений по амплітуді сигнал з П = 6, так як в реальних умовах це найбільш ймовірні значення рівня обмеження і пік-фактора. відносні величини

    37

    зменшення ККД An = (П - n max) / П max для двох-, чотирьох- і шестиканального підсилювачів зведені в табл. 3.

    З даних таблиці видно, що тільки в одному випадку відносне зменшення ККД перевищило 5%. Немонотонний характер похибок пов'язаний зі зміною реального пік-фактора і з підвищенням прямоугольности коливання при збільшенні рівня обмеження сигналу. Широкий діапазон зустрічаються значень пік-фактора необмеженого по амплітуді музичного сигналу НЕ

    Таблиця 3

    дозволяє вибирати для універсальних підсилювачів в якості вихідних значення, оптимальні для інших

    значень рівнів обмеження коливання. Так, якщо в шестиканальному підсилювачі в якості вихідних взяти значення, оптимальні для а = -3 дБ, то зменшення ККД для коливань з П = 3 і 6 при рівнях обмеження сигналу a = (0 ... - 20) дБ не перевищуватиме 1.7 %, але для необмеженого за амплітудою сигналу з П = 9 зменшення ККД зросте до 8.9%. Якщо ж функціональне призначення проектованих підсилювачів заздалегідь відомо, то значення доцільно вибирати оптимальними. Наприклад, для трансляційних підсилювачів або підсилювачів, призначених для масового обслуговування населення, як оптимальних можна вибрати значення для коливання з П = 6 при a = -3 дБ. Ці значення наведені в табл. 4. В даному випадку найбільша похибка буде спостерігатися тільки для необмеженого за амплітудою сигналу з П = 9 і з урахуванням функціонального призначення підсилювача нею можна знехтувати.

    Таким чином, отримані результати показують, що зі збільшенням числа каналів ККД підсилювача зростає, досягаючи для шестиканального підсилювача при необмеженій

    по амплітуді коливання значень 76 ... 84%. Зі збільшенням рівня обмеження сигналу ККД підвищується до 95 ... 98.5%, при цьому в підсилювачах недоліки режиму D відсутні. При проектуванні універсальних аналого-дискретних підсилювачів з аналого-

    Таблиця 2

    N а, дБ ж1 ж2 ж3 Ж4 Ж5

    0 0.356

    2 - 12 0.563 - - - -

    - 20 0.624

    0 0.230 0.470

    3 - 12 0.410 0.700 - - -

    - 20 0.480 0.750

    0 0.172 0.322 0.539

    4 - 12 0.335 0.551 0.767 - -

    - 20 0.393 0.613 0.812

    0 0.141 0.250 0.385 0.586

    5 - 12 0.285 0.462 0.633 0.810 -

    - 20 0.338 0.525 0.691 0.849

    0 0.120 0.207 0.306 0.433 0.622

    6 - 12 0.250 0.401 0.544 0.688 0.839

    - 20 0.299 0.463 0.608 0.743 0.873

    а, дБ

    П N 0 - 3 - 6 - 9 - 12 - 15 - 18 - 20

    АП,%

    2 4.24 4.93 4.58 3.80 2.97 2.24 1.65 1.34

    3 4 4.09 4.92 4.69 3.97 3.14 2.39 1.78 1.44

    6 3.554 4.321 4.15 3.54 2.81 2.15 1.60 1.30

    2 0.00 1.74 3.86 4.65 4.40 3.69 2.90 2.42

    6 4 0.00 1.52 3.64 4.60 4.49 3.84 3.07 2.57

    6 0.00 1.29 3.14 4.02 3.97 3.42 2.74 2.31

    2 5.43 0.09 1.30 3.57 4.60 4.49 3.83 3.30

    9 4 4.18 0.08 1.12 3.34 4.52 4.56 3.97 3.46

    6 3.05 0.05 0.95 2.86 3.94 4.02 3.53 3.09

    Таблиця 4

    N ж1 ж2 ж3 Ж4 Ж5

    2 0.418008 - - - -

    3 0.280001 0.55 - - -

    4 0.21598 0.390978 0.619482 - -

    5 0.178981 0.311479 0.465477 0.670485 -

    6 0.15401 0.26201 0.380008 0.521006 0.710004

    вим режимом роботи каналів значення можна вибирати оптимальними для необмеженого коливання з П = 6. При проектуванні підсилювачів, постійно використовують весь свій динамічний діапазон, доцільно використовувати значення &k, оптимальні для коливання з П = 6 і a = -3 дБ. В цьому випадку програшем в ККД при інших значеннях пік-фактора і рівнів обмеження сигналу можна знехтувати.

    бібліографічний список

    1. Догадин Н. Б., Ногін В. М. Математична модель музичного сигналу для дослідження енергетичних характеристик підсилювачів звукової частоти // Інформаційні системи та технології (ІСТ-2001): Тез. доп. Всерос. наук.-техн. конф. / НГТУ. Нижній Новгород, 2001. С. 24-26.

    2. Догадин Н. Б. Аналого-дискретні підсилювачі. Волгоград-СПб .: Зміна, 2003. 216 с.

    N. B. Dogadin

    Volgograd state pedagogical university V. N. Nogin

    Nizny Novgorod state technical university

    Maximum Power Efficiency of Analog-Discrete Amplifiers an Analog Mode of Channels at Reproduction of Musical Broadcasting Signals

    On the basis of a mathematical model of the musical broadcasting signals both the efficiency of analog-discrete amplifiers by reproduction of either the undistorted signals or undergone restriction when passing through the channels is considered. The calculated results allow evaluating the power efficiency of amplifiers in the real conditions of work.

    Amplifiers of sound frequencies, analog-discrete amplifiers, efficiency of amplifiers, musical signal statistic model

    Стаття надійшла до редакції 18 лютого 2004 року.

    УДК 621.314.52

    В. Ф. Дмитрик, О. І. Беловіцкій, І. Н. Самилін

    Санкт-Петербурзький державний університет телекомунікацій

    ім. проф. М. А. Бонч-Бруєвича

    Дослідження статичних і динамічних характеристик імпульсних перетворювачів понижувального типу при використанні фільтрів з різними характеристиками

    З використанням наближеного методу усереднення і лінеаризації змінних стану проведені дослідження і порівняння коефіцієнта стабілізації і запасу стійкості імпульсного перетворювача напруги понижувального типу з використанням в якості згладжуючих фільтрів однозвенной і двухзвенних фільтрів Чебишева, Баттерворта і равнозвенних фільтрів з різними контурами зворотного зв'язку. Методом змінних стану досліджені динамічні характеристики: перерегулирование по струму і напрузі при стрибкоподібному зміні опору навантаження і вхідної напруги, а також пульсації вихідної напруги і вхід-

    © В. Ф. Дмитрик, О. І. Беловіцкій, І. Н. Самилін, 2004

    39


    Ключові слова: AMPLIFIERS OF SOUND FREQUENCIES / ANALOG-DISCRETE AMPLIFIERS / EFFICIENCY OF AMPLIFIERS / MUSICAL SIGNAL STATISTIC MODEL / ПІДСИЛЮВАЧІ ПОТУЖНОСТІ ЗВУКОВИХ ЧАСТОТ / АНАЛОГО-дискретних УСИЛИТЕЛИ / ККД ПІДСИЛЮВАЧІВ / Ймовірна модель МУЗИЧНОГО СИГНАЛА

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити