Усилитель класса d принцип работы: Усилители класса D | Магазин музыкальных инструментов DMS

Усилитель класса Д, специфика, задачи и преимущества цифровых технологий

Цифровая техника продолжает свое стремительное развитие – выбор усилителей класса Д постоянно расширяется. Поэтому стабильно возрастает актуальность вопроса, какой класс предпочтительнее для наших задач – цифровой или аналоговый тип?

Большинство аудиофилов, поклонников техники Hi-Fi готовы без лишних сомнений утверждать – выбор лучше делать в пользу аналоговых моделей. Уважаем их мнение, но с выводами спешить не будем, просто сразу оговоримся – несмотря на все возможности аналоговых устройств, всё же будущее именно за цифровой техникой.

Принцип усилителя класса D – ключевые отличия, о которых нужно знать

Сигнал поступает в аналоговой форме, amplifier усиливает получаемый сигнал и передает его акустике. Принцип работы усилителя мощности звука D класса предполагает работу исключительно с цифровым сигналом. Следовательно, сам сигнал поступает в цифровой форме, усиливается и после этого преобразуется в аналоговую форму для подачи к акустическим системам

История развития цифрового усилителя D класса

Пока Hi-Fi усилитель класса D не получил широкое распространение среди аудиофилов. Но подобная ситуация остается незаслуженной. Сложился стереотип, по которому большинство аудиофилов попросту заранее отвергают цифровые усилители, даже не планируя их прослушивать.

Изначально аудиофилы повесили на него «ярлык» цифровой усилитель. Несмотря на подобие работе цифровых схем, само устройство можно с уверенностью считать аналоговым.

Другим дискуссионным вопросом традиционно остается возраст Hi Fi усилителей класса D. Распространено мнение о его появлении совсем недавно, не имея достаточные ресурсы для построения сложных проектов. Но будем объективны – усилитель класса Д имеет богатейшую историю, проектировался впервые еще во времена радиоламп.

Однако первые коммерческие реализации привели к обнаружению ряда недостатков моно усилителей класса D для своего времени. Поэтому не удавалось обеспечить достойное качество звука на элементной базе, доступной в те времена.

Производители не прекращали изыскания в этом направлении, значительные инвестиции делали и ведущие представители индустрии Hi-Fi, включая Infinity и Sony. Но и подобные шаги не принесли успех – элементная база была недостаточной для раскрытия потенциала D класса. Кардинально исправить ситуацию позволили разработки 80-х годов – постепенно найдя признание в устройствах широкого профиля.

Плюсы типа усилителя класса D

Основным преимуществом усилителей класса Д становится энергоэффективность. Достижение лучших показателей подтверждают не просто теоретические выкладки, но и реальные цифры, данные замеров – подтверждая прирост КПД, добиться которого позволяет лишь переход от класса A до B либо AB. Достижения в этом вопросе со стороны класса G и прочих кажутся попросту незначительными.

Автоусилитель Helix P Six DSP MK2

Благодаря специфике работы удается добиться впечатляющего уровня около 90-95% КПД. Для нагрева транзисторов задействованы только единицы процента энергии, поэтому можно работать с крайне малыми радиаторами. Чтобы на выходе обеспечить 100-200 Вт, усилителям AB класса необходимы радиаторы, которые будут занимать 1-2 боковых стенки корпуса. Благодаря специфике усилителя D класса достаточно минимального алюминиевого кусочка. Аналогична ситуация с размером платы усилителя мощности класса D – оказывается гораздо компактнее. Внимания заслуживает и меньшая себестоимость.

Возможные проблемы усилителя класса D

Повсеместное признание ценителей проектов Hi-Fi усилителям класса Д не удалось завоевать из-за наличия определенных слабых мест. Высокочастотный генератор может провоцировать помехи, сказывающиеся на качестве работы усилителя. Неподготовленные владельцы могут не заметить подобные изменения, но в Hi-Fi каждая деталь имеет значение.

Из-за высокого КПД усилителей класса Д возникает ощутимая зависимость аудио от блока питания. При работе с импульсным источником без достаточного количества фильтрации часть шумов будет проникать в динамики, нарушая общее впечатление. Плохой блок питания крайне не уместен с усилителями AB, но именно в классе Д проблема проявляется ярче всего.

Лучшие усилители D класса в «АвтоАудиоЦентре» – специфика выбора под каждый проект

Автомобильный усилитель AudioBeat PA 1. 300

Продажа автомобильных усилителей D класса является одним из приоритетных направлений в работе интернет-магазина «АвтоАудиоЦентр». Подходящая мощность, оптимальная цена в линейке проверенных производителей – инвестиция в годы наслаждения огромным потенциалом своей аудиосистемы. Проектирование систем и подбор компонентов желанного совершенства вместе с практиками своего дела, которые получают удовольствие от подготовки идеальных проектов для своих покупателей.

Усилитель класса D – мал, да удал

Функция звукового усилителя заключается в воспроизведении входного сигнала элементами выходной цепи, с необходимой громкостью и мощностью, точно, с минимальным рассеянием энергии и малыми искажениями. Усилитель должен обладать хорошими характеристиками в диапазоне звуковых частот, который находится в области 20–20 000 Гц (для узкополосных динамиков, таких как сабвуфер или высокочастотная головка, диапазон может быть уже). Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя — от милливатт в головных телефонах до нескольких ватт в телевизоре и персональном компьютере (ПК), десятки ватт в домашней или автомобильной стереосистеме; наконец, сотни ватт в наиболее мощных домашних или коммерческих аудиосистемах для театров и концертных залов.

Простейший вариант реализации усилителя звука — использование транзисторов в линейном режиме, что позволяет получить на выходе увеличенное входное напряжение. Усиление в данном случае обычно велико (по меньшей мере, 40 дБ). Часто используется отрицательная обратная связь, так как она улучшает качество усиления, снижая вызванные нелинейностью усилительных каскадов искажения и подавляя помехи от источника питания.

В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB. В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации. Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.

Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах.

Энергия рассеивается во всех линейных выходных каскадах, поскольку при обеспечении выходного напряжения, по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток и напряжение. Мощность рассеяния сильно зависит от начального смещения выходных транзисторов.

В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала. В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).

Построение выходного каскада в классе B практически исключает постоянный ток через транзисторы и существенно уменьшает мощность рассеяния. Выходные транзисторы в этом случае работают по двухтактной схеме, верхнее плечо обеспечивает положительные токи через громкоговоритель, нижнее плечо — отрицательные. Мощность рассеяния уменьшается потому, что через транзисторы протекает только связанный с сигналом ток, постоянная составляющая практически отсутствует. Однако выходной каскад класса B дает худшее качество звука вследствие нелинейного характера выходного тока при переходе через ноль (переходные искажения), что имеет место из-за особенностей включения/выключения выходных транзисторов.

В классе AB, являющемся компромиссом между A и B классами, постоянный ток смещения существует, однако гораздо меньший, чем в классе A. Небольшого постоянного тока смещения оказывается достаточно для устранения переходных искажений и обеспечения тем самым хорошего качества звучания. Мощность рассеяния в данном случае оказывается больше, чем в классе B, и меньше, чем в A классе, но все же количественно ближе к классу B. В этом случае, как и в классе B, необходимо управление выходными транзисторами для обеспечения больших положительных и отрицательных выходных токов.

Тем не менее, даже хорошо спроектированный усилитель класса AB характеризуется значительной мощностью рассеяния, так как средние значения выходных напряжений обычно далеки от напряжений на шинах питания. Большое падение напряжения между стоком и истоком приводит, таким образом, к рассеянию энергии.

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния усилителя класса D гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение. Мгновенная мощность рассеяния в этом случае минимальна.

Поскольку звуковые сигналы заметно отличаются от последовательности импульсов, для преобразования входного сигнала в набор импульсов необходим модулятор.

Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот. Фильтр должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.

Таким образом, основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Но, конечно же, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой и активно используются для построения домашних и автомобильных звуковоспроизводящих систем.

 

Компания Мастер Кит предлагает испытать преимущества таких усилителей. Рассмотрим некоторые усилители D-класса из ассортимента, предлагаемого в разделе Мультимедиа на сайте Мастер Кит.

 

1. MP3116mini – усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра (TPA3116)

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса TPA3116. Драйверы микросхемы имеют мостовое включение. Таким образом, достигается 50Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Подключаемое сопротивление акустики, Ом	4-16
Входное сопротивление, кОм	30
Максимальный ток потребления, А	4
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт	2х50
Рабочая температура, C	-40…+85
Габариты модуля (д/ш/в), мм	60х32х15
Вес	150

 

Особенности:

– широкий диапазон питающего напряжения 5В-24В;

– защита от превышения температуры корпуса микросхемы;

– защита от короткого замыкания в нагрузке;

– высокая частота преобразования 400 кГц-1,2 МГц, что позволяет получить качественный сигнал без применения громоздких фильтров для очистки ШИМ;

– высокий КПД более 90%;

– возможность подключения к линейному входу без предварительных усилителей и цепей согласования;

– применение замкнутой обратной связи обеспечивает отличный уровень подавления помех источников питания;

– на плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот.

 

2. MP3116 – усилитель НЧ D-класса 2х100Вт (TPA3116)

 

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116, включенные в мостовом режиме. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	8
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт	2х100
Рабочая температура, C	-40… 85
Габариты модуля, мм	120х80х40
Вес	150

 

3. MP3116btl – усилитель НЧ D-класса 1х150Вт для сабвуфера (TPA3116)

 

Модуль представляет собой мощный одноканальный усилитель для сабвуфера с фильтром для среза высоких частот. Универсальное питание позволяет его использовать в качестве готового усилителя для сабвуфера в машине или дома. Устройство можно использовать в качестве усилителя сабвуфера домашнего кинотеатра. Данный усилитель НЧ обладает минимальными: коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений и сопротивлений нагрузки. Для отключения фильтра и использования устройства в качестве обычного мощного монофонического усилителя необходимо удалить конденсатор C29.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	6
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…20000
Максимальная выходная мощность, Вт	1х150
Рабочая температура, C	-40… 85
Габариты модуля, мм	73х77х20
Вес	200

 

4. MP3117box – усилитель НЧ D-класс 2. 1, 2х50Вт, 1x100Вт (TPA3116)

Устройство представляет собой качественный усилитель низкой частоты D-класса в DIY корпусе из прозрачного пластика. Благодаря применению отлично зарекомендовавшей себя микросхемы TPA3116 усилитель обладает минимальным  коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений. Он способен работать с любыми акустическими системами сопротивлением от 4 Ом до 16 Ом. В модуле имеется выделенный канал для сабвуфера мощностью 100Вт.  Усилитель мощности можно использовать как на открытом воздухе для проведения различных мероприятий, так и дома при изготовлении музыкального аудиокомплекса своими руками. Отлично подойдет для компьютерной акустики или домашнего кинотеатра. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116. Одна из них используется в стереоканале, вторая, включенная в мостовом режиме, в канале сабвуфера. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	9
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	14…40000
Частота среза канала сабвуфера, Гц	90
Коэффициент усиления, дБ	26
Максимальная выходная мощность фронт. , Вт	2×50
Максимальная выходная мощность саб., Вт	1×100
Рабочая температура, C	0…+50
Габариты модуля в корпусе, мм	65х135х110
Вес	20

 

Предлагаем ознакомиться с другими материалами по теме усиления звука и построения домашних и автомобильных звукоусилительных систем на нашем сайте, например:

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор ФНЧ для сабвуфера

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

BM2114dsp – Цифровой процессор звука

Усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра

 

Наш каталог постоянно обновляется и пополняется новыми товарами, поэтому подписывайтесь на наши новости,  чтобы всегда быть всегда в курсе новинок и специальных предложения на сайте компании Мастер Кит.

Схема, работа, типы, эффективность и преимущества

Первоначальное изобретение усилителя класса D имело место в 1950 году Алеком Ривзом, но на самом деле устройство было названо классом D в 1955 году. Первый класс на основе ИС Усилитель D был представлен Tripath в 1996 году, и эта версия была широко распространена в различных областях. Потребность в усилителях класса D, таких как минимальное рассеивание мощности по сравнению с другими топологиями, такими как класс A, класс AB и класс B, позволила использовать класс D в нескольких приложениях. Кроме того, минимальное расстояние между цепями, стоимость и увеличенное время автономной работы заставили нас понять многие из его концепций, таких как определение усилителя класса D , схема, эффективность, принцип работы и преимущества.

Усилитель класса D относится к типу аудиоусилителей, в которых устройства управления питанием, такие как МОП-транзисторы, функционируют как электронные переключатели. Так как эти усилительные устройства работают как идеальные переключающие устройства, при переходе фаз в сценарии с нулевым входом не будут потеряны мощность и время. Эти усилители обладают более высокой энергоэффективностью, чем их предшественники, такие как устройства класса AB, класса B и класса A.

В усилителях класса D. Во включенном состоянии двоичный переключатель пропускает через себя полный ток, не имея напряжения на нем. В то время как в выключенном состоянии он пропускает через себя полное напряжение без тока через него. Это соответствует тому, что переключатели находятся либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии, что свидетельствует о снижении потерь мощности в выходных устройствах. Это приводит к тому, что КПД усилителя класса D составляет почти 90 – 95%.

В случае этого коммутационного устройства Скорость нарастания усилителя класса D известна по частоте среза выходного фильтра, но не определяется внутренними фазами.

Например, идеальная прямоугольная волна проходит через индуктивно-емкостной фильтр. Поскольку LC является фильтром нижних частот, диапазон полосы пропускания в этом фильтре ограничен, а ограничение полосы пропускания прямо пропорционально ограничению нарастания.

Ограничение скорости нарастания схемы регулирует количество максимальной подаваемой мощности, а также искажения и рассчитывается в микросекундах на каждый 1 вольт напряжения. Для синусоиды формула скорости нарастания равна

Скорость нарастания = (2 * π * частота)/10 ⁶ В/мкс

Таким образом, с помощью приведенной выше формулы можно определить скорость нарастания в микросекундах, которая безошибочно воспроизводит входную частоту без искажений.

Блок-схема

Блок-схема усилителя класса d показана ниже. Усилитель класса D является переключающим усилителем, потому что по сравнению с другими усилителями, такими как классы A, B и AB, усилитель класса D может достигать КПД до 90-95%.

Блок-схема усилителя класса D

Блок-схема усилителя класса D в основном включает четыре различных модуля, таких как компаратор, драйвер MOSFET, LPF или фильтр нижних частот и динамик. Чтобы понять работу этого усилителя, мы должны узнать, как работает этот усилитель и как генерируется сигнал переключения. Для этого объясняется следующая блок-схема.

На приведенной выше схеме аудиоусилителя аудиовход подается на инвертирующую клемму (-) компаратора, а высокочастотный треугольный сигнал подается на неинвертирующую клемму (+). Как только напряжение входного аудиосигнала превышает напряжение треугольной волны, выходной сигнал компаратора становится высоким. Точно так же, когда сигнал низкий, выход компаратора низкий.

При таком расположении входной аудиосигнал просто модулируется посредством высокочастотного несущего сигнала, после чего он подключается к ИС управления затвором полевого МОП-транзистора, которая по одному разу управляет выводами затвора двух полевых МОП-транзисторов как на стороне низкого, так и на высоком уровне. На выходе мы можем получить мощную высокочастотную прямоугольную волну, которая проходит через каскад фильтра нижних частот (ФНЧ) для получения нашего окончательного аудиосигнала.

Усилитель класса D с использованием Tl494

Другим наиболее часто используемым типом является усилитель класса D с использованием Tl494 IC, который предназначен для широтно-импульсной модуляции и включает N-канальный MOSFET-транзистор в оконечном каскаде усилителя. Усилитель на Tl494 имеет входное питание в диапазоне от 30 до 100 В постоянного тока асимметричной мощности с напряжением смещения от 8 до 12 В постоянного тока. Этот тип конфигурации может обеспечить мощность почти 500 Вт.

Схема усилителя класса D на микросхеме TL494 показана ниже. Это схема высокоэффективного усилителя мощностью 500 Вт, поэтому этот усилитель можно использовать в качестве автомобильного дополнительного усилителя. В этой схеме используется микросхема TL49.4, который представляет собой микросхему ШИМ. Этот чип обеспечивает высококачественный базовый сигнал, что помогает генерировать высококачественные аудиосигналы.

Усилитель класса D с использованием Tl494

Необходимые компоненты для построения этой схемы: блок питания, Tl494, два МОП-транзистора IRF 540, два конденсатора 1000 мкФ 63 в, конденсатор -1000 мкФ 50 в, два транзистора Bd 139, транзистор Bd 140, три диода 1N4148, конденсатор – 1 мкФ, два конденсатора 10 мкФ, два конденсатора 1n, конденсатор 152 пф , один резистор 1k, два резистора 47k, один резистор 10k, два резистора 470 Ом, один резистор 2R2, резистор 8k2, конденсатор 2n2 и два резистора 56 Ом

Рабочий

Приведенная выше схема представляет собой очень простую и высокоэффективную схему усилителя.

Таким образом, выходная мощность, генерируемая этой схемой, составляет 500 Вт. В схеме микросхема ШИМ используется для подачи сигналов на компаратор для обработки аудиосигналов на каскаде o/p.

Типичная схема усилителя класса d в ​​основном включает в себя различные схемы, такие как генератор пилообразного сигнала, компаратор, переключатель и фильтр нижних частот.

• Основной функцией схемы генератора пилообразного сигнала является генерация высокочастотного пилообразного сигнала для дискретизации аудиосигналов i/p.
• Схема компаратора используется для смешивания входных сигналов с пилообразным сигналом.
• Схема переключения обеспечивает усиление по напряжению и току, необходимые для схемы усилителя.
• Наконец, схема LPF отфильтровывает ненужные сигналы от схемы переключения.

Типы усилителей класса D

В общем, существует две топологии усилителей класса D: полумостовая и полномостовая. В этом разделе описывается сравнение двух топологий в более подробном сценарии.

Усилитель класса D с полумостовым усилителем

В полумостовом усилителе требуется внешний LC-фильтр, в котором извлекаются низкочастотные сигналы, а высокочастотные рассеиваются на секции нагрузки. Кроме того, преимущество этой мостовой нагрузки заключается в том, что конденсаторы блокировки постоянного тока не нужны даже при наличии одного источника питания. Но это не сценарий для полумоста, потому что нагрузка колеблется между землей и VDD, таким образом, имея рабочий цикл 50%, так что значение смещения равно VDD/2.

Усилитель класса D с полумостовым соединением

Диапазон мощности полумостового устройства может обеспечивать КПД более 90 % при выходной мощности 14 Вт на каждый канал при нагрузке 8 Ом.

Усилитель класса D с полным мостом

Усилитель класса D с полным мостом разработан с использованием двух полумостовых схем. Эта конфигурация также называется нагрузкой, связанной с мостом, и она функционирует путем перестановки путей проводимости через секцию нагрузки, так что поток двунаправленного тока происходит через нагрузку, не имеющую необходимости ни в блокировочном конденсаторе постоянного тока, ни в источнике питания.

Усилитель класса D с полным мостом

В полномостовом усилителе смещение появляется на обоих концах секции нагрузки, так что поток постоянного тока равен «0». Поскольку выходной сигнал полного моста в два раза больше, чем у полумоста, выходная мощность увеличивается в 4 раза.

В конструкции полномостового усилителя класса D требуется в два раза больше полевых МОП-транзисторов, чем в полумостовой схеме, где эта особенность в нескольких сценариях считается недостатком. Но включение большего количества переключателей обычно соответствует этим высоким коммутационным потерям и проводимости. Диапазон мощности для мостовых устройств составляет от 80% до 88% при нагрузке 8 Ом.

Характеристики

В этом разделе описаны характеристики усилителя класса D .

• Диапазон напряжения питания составляет от 3,5 до 5 вольт.
• Потребляемый ток 3,2 мА.
• Значение входного сопротивления 5,6 кОм.
• Коэффициент усиления составляет почти 20 дБ.
• Ток в режиме ожидания в режиме Enable-Low составляет 0,82 мА.
• Выходная мощность при работе с напряжением питания 5 В и нагрузкой 4 Ом составляет максимум 3 Вт.

Преимущества и недостатки

Преимущества усилителя класса D :

1. Повышенный КПД.
2. Минимальное тепловыделение.
3. Высокая производительность.
4. Меньший вес.
5. Скорость преобразования батареи остается постоянной независимо от емкости нагрузки.
6. Он обеспечивает чистый звук, а звуковой образ очень точен.
7. В основном используется для массового производства.
Усилители
8. класса D обладают уникальными функциями дистанционного управления, группового управления и мониторинга.
9. По сравнению с линейными усилителями этот импульсный усилитель имеет высокий диапазон энергоэффективности.

Недостатки усилителя класса D :

1. Он не имеет специального переключателя и из-за этого уровень качества всего устройства падает, когда установленный транзистор и любые другие компоненты не синхронизируются должным образом.
2. Выход этого усилителя имеет мертвую зону.
3. Потенциал, расположенный так близко к земле силового транзистора, будет колебаться во время первоначального подключения и последних процедур отключения усилителя класса D, создавая шум в устройстве.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше об усилителе с низким уровнем шума.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше об усилителях постоянного тока MCQ, инструментальных усилителях MCQ, усилителях класса D MCQ

Итак, это все об усилителях класса D — работе с приложениями. Здесь статья посвящена работе усилителя класса D, типам, схемам, характеристикам, преимуществам и недостаткам. Кроме того, как влияют электромагнитные помехи при разработке усилителя класса D?

Усилители класса D: основы работы и последние разработки

Скачать PDF

Abstract

Высокая эффективность усилителя класса D делает его идеальным для портативных и компактных приложений высокой мощности. Традиционным усилителям класса D требуется внешний фильтр нижних частот для извлечения аудиосигнала из выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако многие современные усилители класса D используют передовые методы модуляции, которые в различных приложениях устраняют необходимость во внешней фильтрации и уменьшают электромагнитные помехи (ЭМП). Устранение внешних фильтров не только уменьшает требования к пространству на плате, но также может значительно снизить стоимость многих портативных/компактных систем.

Введение

Большинство инженеров-разработчиков аудиосистем хорошо осведомлены о преимуществах энергоэффективности усилителей класса D по сравнению с классами линейных аудиоусилителей, такими как классы A, B и AB. В линейных усилителях, таких как класс AB, значительная часть мощности теряется из-за элементов смещения и линейной работы выходных транзисторов. Поскольку транзисторы усилителя класса D используются просто как переключатели для управления током через нагрузку, минимальные потери мощности из-за выходного каскада.

Любые потери мощности, связанные с усилителем класса D, в первую очередь связаны с сопротивлением выходного транзистора в открытом состоянии, потерями при переключении и накладными расходами по току покоя. Большая часть мощности, теряемой в усилителе, рассеивается в виде тепла. Поскольку в усилителях класса D требования к радиатору могут быть значительно уменьшены или устранены, они идеально подходят для компактных приложений с высокой мощностью.

В прошлом преимущество классических усилителей класса D на основе ШИМ в энергоэффективности было омрачено стоимостью компонентов внешнего фильтра, соответствием электромагнитным и электромагнитным помехам и низкими характеристиками THD+N по сравнению с линейными усилителями. Однако в большинстве усилителей класса D текущего поколения используются усовершенствованные методы модуляции и обратной связи для смягчения этих проблем.

Основы усилителей класса D

Несмотря на то, что в современных усилителях класса D используется множество топологий модулятора, в самой базовой топологии используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с треугольным (или пилообразным) генератором. На рис. 1 показана упрощенная блок-схема полумостового усилителя класса D на основе ШИМ. Он состоит из широтно-импульсного модулятора, двух выходных МОП-транзисторов и внешнего фильтра нижних частот (L _F и C _F ) для восстановления усиленного аудиосигнала. Как показано на рисунке, p-канальные и n-канальные полевые МОП-транзисторы работают как переключатели управления током, поочередно подключая выходной узел к V _DD и земле. Поскольку выходные транзисторы переключают выход либо на V

DD , либо на землю, результирующий выходной сигнал усилителя класса D представляет собой высокочастотный прямоугольный сигнал. Частота переключения (f _SW ) для большинства усилителей класса D обычно составляет от 250 кГц до 1,5 МГц. Выходная прямоугольная волна является широтно-импульсной модуляцией входного аудиосигнала. ШИМ достигается путем сравнения входного аудиосигнала с внутренним треугольным (или пилообразным) генератором. Этот тип модуляции также часто называют «естественной выборкой», когда генератор треугольной волны действует как тактовая частота выборки. Результирующий рабочий цикл прямоугольной волны пропорционален уровню входного сигнала. Когда входной сигнал отсутствует, коэффициент заполнения выходного сигнала равен 50%. На рис. 2 показана результирующая форма выходного сигнала ШИМ из-за изменения уровня входного сигнала.

Рис. 1. На этой упрощенной функциональной блок-схеме показан базовый полумостовой усилитель класса D.

Рис. 2. Ширина импульса выходного сигнала изменяется пропорционально величине входного сигнала.

Чтобы извлечь усиленный звуковой сигнал из этой волны ШИМ, выходной сигнал усилителя класса D подается на фильтр нижних частот. LC-фильтр нижних частот, показанный на рисунке 1, действует как пассивный интегратор (при условии, что частота среза фильтра как минимум на порядок ниже частоты переключения выходного каскада), выходной сигнал которого равен среднему значению прямоугольной волны . Кроме того, фильтр нижних частот предотвращает рассеивание высокочастотной энергии переключения в резистивной нагрузке. Предположим, что отфильтрованное выходное напряжение (V _{O_AVG} ) и ток (I

AVG ) остаются постоянными в течение одного периода переключения. Это предположение является достаточно точным, поскольку f _SW намного больше, чем самая высокая входная звуковая частота. Следовательно, связь между рабочим циклом и результирующим отфильтрованным выходным напряжением может быть получена с помощью простого анализа во временной области напряжения и тока катушки индуктивности.

Мгновенный ток, протекающий через индуктор:

, где В _L (t) — мгновенное напряжение на катушке индуктивности с использованием правил знаков, показанных на рисунке 1.

Поскольку предполагается, что средний ток (I _AVG ), протекающий через нагрузку, остается постоянным в течение одного периода переключения, ток дросселя в начале периода переключения (T _SW ) должен быть равен току дросселя в конце периода переключения. период переключения, как показано на рисунке 3.

В математических терминах это означает, что:

Рис. 3. Формы тока и напряжения дросселя фильтра показаны для базового полумостового усилителя класса D.

Уравнение 2 показывает, что интеграл напряжения дросселя за один период переключения должен быть равен 0. Используя уравнение 2 и исследуя форму сигнала V _L (t), показанную на рисунке 3, становится ясно, что абсолютные значения площадей (A _ON и A _OFF ) должны быть равны друг другу, чтобы уравнение 2 было верным. Имея эту информацию, мы теперь можем получить выражение для отфильтрованного выходного напряжения в терминах коэффициента заполнения сигнала переключения:

Подстановка уравнений 4 и 5 в уравнение 3 дает новое уравнение:

Наконец, нахождение V _O дает:

, где D — коэффициент заполнения сигнала переключения выхода.

Использование обратной связи для повышения производительности

Многие усилители класса D используют отрицательную обратную связь от выхода ШИМ обратно на вход устройства. Подход с обратной связью не только улучшает линейность устройства, но также позволяет устройству отказаться от источника питания. Это контрастирует с усилителем без обратной связи, который по своей природе имеет минимальное (если вообще есть) подавление питания. Поскольку форма выходного сигнала воспринимается и возвращается на вход усилителя в топологии с обратной связью, отклонения в шине питания обнаруживаются на выходе и корректируются контуром управления. Преимущества конструкции с обратной связью достигаются за счет возможных проблем со стабильностью, как в случае со всеми системами, использующими обратную связь. Следовательно, контур управления должен быть тщательно спроектирован и скомпенсирован, чтобы обеспечить стабильность во всех условиях эксплуатации.

Типичные усилители класса D работают с контуром обратной связи шумообразующего типа, который значительно снижает внутриполосный шум из-за нелинейности широтно-импульсного модулятора, выходного каскада и отклонений напряжения питания. Эта топология аналогична формированию шума, используемому в сигма-дельта модуляторах. Чтобы проиллюстрировать эту функцию формирования шума, на рисунке 4 показана упрощенная блок-схема формирователя шума 1-го порядка. Цепь обратной связи обычно состоит из сети резистивного делителя, но для простоты в примере, показанном на рисунке 4, используется коэффициент обратной связи, равный 1. Кроме того, передаточная функция для интегратора была упрощена до 1/с, поскольку коэффициент усиления идеальный интегратор обратно пропорционален частоте. Также предполагается, что блок ШИМ имеет единичный коэффициент усиления и вклад нулевого фазового сдвига в контур управления. Используя базовый анализ блока управления, можно вывести следующее выражение для вывода:

Рисунок 4. Контур управления с формированием шума 1-го порядка для усилителя класса D выталкивает большую часть шума за пределы полосы частот.

Уравнение 8 показывает, что составляющая шума, E _n (с), умножается на функцию фильтра верхних частот (функция передачи шума), а входная составляющая, V _IN (с), умножается на функцию фильтра нижних частот. (функция передачи сигнала). Отклик фильтра верхних частот функции передачи шума формирует шум усилителя класса D. Если частота среза выходного фильтра выбрана правильно, большая часть шума вытесняется за пределы полосы частот (рис. 4). В то время как в предыдущем примере речь шла о формирователе шума 1-го порядка, многие современные усилители класса D используют топологии формирования шума нескольких порядков для дальнейшей оптимизации линейности и ослабления источника питания.

Топологии класса D — полумост против полного моста

Многие усилители класса D также реализованы с использованием полного мостового выходного каскада. Полный мост использует два каскада полумоста для дифференциального управления нагрузкой. Этот тип подключения нагрузки часто называют мостовой нагрузкой (BTL). Как показано на рис. 5, в полномостовой схеме чередуется путь проводимости через нагрузку. Это позволяет двунаправленному току течь через нагрузку без необходимости в отрицательном источнике питания или блокировочном конденсаторе постоянного тока.

Рис. 5. В традиционном полномостовом выходном каскаде класса D используются два полумостовых каскада для дифференциального управления нагрузкой.

На рис. 6 показаны выходные сигналы традиционных BTL-усилителей класса D на основе ШИМ. На рис. 6 выходные сигналы дополняют друг друга, что создает дифференциальный ШИМ-сигнал на нагрузке. Как и в полумостовой топологии, на выходе необходим внешний LC-фильтр для извлечения низкочастотных звуковых сигналов и предотвращения рассеивания высокочастотной энергии в нагрузке.

Рис. 6. Традиционные формы выходных сигналов полного моста класса D дополняют друг друга, создавая дифференциальный ШИМ-сигнал на нагрузке.

Мостовой усилитель класса D обладает теми же преимуществами, что и усилитель класса AB BTL, но имеет более высокую энергоэффективность. Первое преимущество усилителей BTL заключается в том, что они не требуют наличия на выходе конденсаторов, блокирующих постоянный ток, при работе от одного источника питания. То же самое не верно для полумостового усилителя, так как его выходной сигнал колеблется между V _DD и заземление и холостой ход при рабочем цикле 50%. Это означает, что его выход имеет смещение по постоянному току, равное V _DD /2. В мостовом усилителе это смещение появляется с каждой стороны нагрузки, что означает, что на выходе протекает нулевой постоянный ток. Второе преимущество, которое они разделяют, заключается в том, что они могут обеспечить удвоенный размах выходного сигнала по сравнению с полумостовым усилителем с тем же напряжением питания, поскольку нагрузка управляется дифференциально. Это приводит к теоретическому 4-кратному увеличению максимальной выходной мощности по сравнению с полумостовым усилителем, работающим от того же источника питания.

Однако для полномостового усилителя класса D требуется в два раза больше переключателей MOSFET, чем для полумостовой топологии. Некоторые считают это недостатком, поскольку большее количество переключателей обычно означает большие потери на проводимость и переключение. Однако, как правило, это верно только для усилителей мощности с высокой выходной мощностью (> 10 Вт) из-за более высоких выходных токов и напряжения питания. По этой причине полумостовые усилители обычно используются для мощных приложений из-за их небольшого преимущества в эффективности. Большинство мощных мостовых усилителей демонстрируют энергоэффективность в диапазоне от 80% до 88% при нагрузке 8 Ом. Однако полумостовые усилители, такие как MAX9,742 достигают энергоэффективности более 90%, обеспечивая при этом более 14 Вт на канал при сопротивлении 8 Ом.

Устранение выходного фильтра — бесфильтровая модуляция

Одним из основных недостатков традиционных усилителей класса D была необходимость во внешнем LC-фильтре. Это не только увеличивает стоимость решения и требования к пространству на плате, но также создает возможность дополнительных искажений из-за нелинейности компонентов фильтра. К счастью, многие современные усилители класса D используют усовершенствованные схемы модуляции без фильтров, чтобы устранить или, по крайней мере, свести к минимуму требования к внешним фильтрам.

На рис. 7 показана упрощенная функциональная схема топологии безфильтрового модулятора MAX9700. В отличие от традиционного усилителя PWM BTL, каждый полумост имеет собственный компаратор, который позволяет независимо управлять каждым выходом. Модулятор управляется дифференциальным звуковым сигналом и высокочастотным сигналом пилообразной формы. Когда оба выхода компаратора имеют низкий уровень, каждый выход усилителя класса D имеет высокий уровень. В то же время на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ устанавливается высокий уровень, но он задерживается RC-цепью, образованной резистором R9.0176 НА и С _НА . Как только задержанный выход вентиля ИЛИ-НЕ превышает указанный порог, переключатели SW1 и SW2 закрываются. Это приводит к тому, что OUT+ и OUT- переходят в низкий уровень и остаются такими до начала следующего периода выборки. Эта схема вызывает включение обоих выходов на минимальное время (t _ON(MIN) ), которое устанавливается значениями R _ON и C _ON . Как показано на рис. 8, при нулевом входе выходы синфазны с длительностью импульса, равной t _{ВКЛ(МИН)} . Когда входные аудиосигналы увеличиваются или уменьшаются, один компаратор срабатывает раньше другого. Такое поведение, наряду со схемой минимального времени включения, заставляет один выход изменять ширину импульса, в то время как ширина другого выходного импульса остается равной t _ON(MIN) (рис. 8). Это означает, что среднее значение каждого выхода содержит полуволновую выпрямленную версию выходного аудиосигнала. Получение разности средних значений выходных сигналов дает полную форму выходного звукового сигнала.

Рисунок 7. На этой упрощенной функциональной схеме показана топография безфильтрового модулятора класса D MAX9700.

Рисунок 8. Формы входного и выходного сигналов показаны для топографии безфильтрового модулятора MAX9700.

Поскольку выходы MAX9700 выдают синфазные сигналы в режиме ожидания, на нагрузку не подается дифференциальное напряжение, что сводит к минимуму энергопотребление в состоянии покоя без необходимости использования внешнего фильтра. Вместо того, чтобы зависеть от внешнего LC-фильтра для извлечения аудиосигнала с выхода, безфильтровые усилители Maxim класса D полагаются на внутреннюю индуктивность нагрузки динамика и человеческое ухо для восстановления аудиосигнала. Сопротивление динамика (R _E ) и индуктивность (L _E ) образуют ФНЧ 1-го порядка, частота среза которого равна:

Для большинства динамиков этого спада 1-го порядка достаточно для восстановления аудиосигнала и предотвращения рассеяния чрезмерного количества высокочастотной энергии переключения на сопротивлении динамика. Даже если остаточная энергия переключения приводит к движению динамика, эти частоты не слышны человеческому уху и не будут отрицательно влиять на качество прослушивания. При использовании усилителей класса D без фильтров нагрузка динамика должна оставаться индуктивной на частоте переключения усилителя для достижения максимальной выходной мощности.

Минимизация электромагнитных помех с помощью модуляции с расширенным спектром

Одним из недостатков работы без фильтра является возможность излучения электромагнитных помех от кабелей громкоговорителей. Поскольку выходные сигналы усилителя класса D представляют собой высокочастотные прямоугольные сигналы с быстро движущимися фронтами перехода, выходной спектр содержит большое количество спектральной энергии на частоте переключения, кратной частоте переключения. Без внешнего выходного фильтра, расположенного в непосредственной близости от устройства, эта высокочастотная энергия может излучаться кабелями динамиков. Безфильтровые усилители Maxim класса D помогают смягчить возможные проблемы с электромагнитными помехами благодаря схеме модуляции, известной как модуляция с расширенным спектром.

Модуляция с расширенным спектром достигается путем дизеринга или рандомизации частоты переключения усилителя класса D. Частота коммутации обычно изменяется в пределах ±10 % от номинальной частоты коммутации. В то время как период сигнала переключения изменяется случайным образом от цикла к циклу, рабочий цикл не изменяется, тем самым сохраняется звуковое содержимое сигнала переключения. На рисунках 9a и 9b показан широкополосный выходной спектр MAX9700, иллюстрирующий эффекты модуляции с расширенным спектром. Вместо того, чтобы концентрировать спектральную энергию на частоте переключения и ее гармониках, модуляция с расширенным спектром эффективно распределяет спектральную энергию выходного сигнала. Другими словами, общее количество энергии, присутствующей в выходном спектре, остается прежним, но общая энергия перераспределяется по более широкой полосе пропускания. Это уменьшает пики высокочастотной энергии на выходе, тем самым сводя к минимуму вероятность электромагнитных помех, излучаемых кабелями громкоговорителей. Хотя возможно, что некоторый спектральный шум может перераспределяться в звуковой диапазон при модуляции с расширенным спектром, этот шум подавляется функцией формирования шума контура обратной связи.

Рисунок 9а. Широкополосный выходной спектр показан для MAX9700 с использованием фиксированной частоты переключения.

Рисунок 9b. Модуляция с расширенным спектром перераспределяет спектральную энергию MAX9700 по более широкой полосе пропускания.

Многие безфильтровые усилители Maxim класса D также позволяют синхронизировать частоту переключения с внешним тактовым сигналом. Это позволяет пользователю вручную установить частоту переключения усилителя в менее чувствительный частотный диапазон.

Несмотря на то, что модуляция с расширенным спектром значительно улучшает характеристики электромагнитных помех усилителей класса D без фильтров, обычно существует практическое ограничение на длину кабелей динамиков, которые можно использовать до того, как устройство начнет нарушать требования FCC или CE по излучению. Если устройство не проходит тесты на излучение из-за длинных акустических кабелей, может потребоваться внешний выходной фильтр для обеспечения дополнительного ослабления высокочастотных составляющих формы выходного сигнала. Во многих приложениях с кабелями колонок средней длины достаточно ферритовых/конденсаторных фильтров на выходах. Характеристики электромагнитных помех также очень чувствительны к компоновке, поэтому необходимо строго соблюдать соответствующие рекомендации по компоновке печатных плат, чтобы гарантировать соответствие применимым нормам FCC и CE.

Заключение

Недавние достижения в методах модуляции класса D позволили усилителям класса D процветать в приложениях, где когда-то доминировали линейные усилители. Современные усилители класса D включают в себя все преимущества усилителей класса AB (т. е. хорошую линейность и минимальные требования к месту на плате) с дополнительным бонусом в виде высокой энергоэффективности. В настоящее время существует широкий выбор усилителей класса D, что делает их подходящими для множества приложений. Эти приложения варьируются от портативных приложений с низким энергопотреблением (например, сотовые телефоны, ноутбуки), в которых срок службы батареи, требования к пространству на плате и соответствие электромагнитным помехам имеют первостепенное значение, до приложений с высоким энергопотреблением (например, автомобильные звуковые системы или плоские панели). дисплеи), где крайне важно свести к минимуму требования к теплоотводу и тепловыделению. Фундаментальное понимание усилителей класса D и их последних технологических достижений поможет разработчикам выбрать правильный усилитель для их применения и позволит им успешно взвесить преимущества и недостатки конкретных функций.