Схема усилителя класса d: Усилитель класс-D нового поколения мощностью 900 Вт

Содержание

Усилитель класс-D нового поколения мощностью 900 Вт

Усилитель класс-D, схемы подобных моделей сейчас можно свободно найти в интернете. На этот раз в данной статье будет обсуждаться конструкция высококачественного усилителя Class-D IRS-900 мощностью 900 Вт на 4 Ом, с качеством звука Hi-Fi. Эта схема была выбрана с учетом доступности компонентов и технологии печатных плат.

Чтобы сделать хороший и качественный Class-D, очень важно иметь фирменные компоненты и компоновку печатной платы, подходящую для высокочастотного переключения

Тем не менее, с этим ограничением, хотя невозможно произвести качество, соответствующее отраслевым критериям, оно по-прежнему очень удовлетворительно по сравнению с системами класса AB, которые широко продаются на рынке. Ниже представлена ​​схема, которая применяет топологию и концепции, описанные выше.

Концепция усилителя класса D

В последнее десятилетие в мире усилителей мощности звука стали доступны коммерческие устройства для аудио. Усилитель нового типа — усилитель класс-D. В отличие от классов A, B, AB, в которых входящий сигнал напрямую усиливается в форме исходного звукового сигнала, в усилителе класса D подсчет звукового сигнала выполняется на входе, но все еще в аналоговом значении, сигнал усиливается. На конечном этапе (конечный каскад) усилителя, импульс с помощью фильтра индуктивности-конденсатора (L-C) преобразовывается в звуковую форму.

Усилитель класс-D — схематическая диаграмма

Здесь представлена конструкция, которая применяет дизайн и концепцию класса D. Данная схема была изменена автором Картино Суродипо, чтобы сделать ее более надежной и безопасной. Значения красного цвета ниже являются заменой исходных значений схемы, и на плате может не быть дорожек. Так что, их следует припаять на печатную плату со стороны пайки.


Принципиальная схема усилитель класс-D (оригинал)


Принципиальная схема усилитель класс-D (изменена автором Картино Суродипо)

В приведенной выше схеме используется источник питания постоянного тока +/- 100 В. Кроме того, для управления драйвером IC-затвора IR2110, требуется отдельный источник питания на 12 Вольт. Такой вариант, сделанный отдельно, связан с тем, что это еще больше упростит схему.

Вышеупомянутая схема усилителя класса D подходит для использования совместно от сабвуфера до mid-hi (верхняя середина). Это определение не разочарует, учитывая, что на рынке, комплект для сборки мощностью 900 Вт обычно предназначен для применения в сабвуферах до уровня Mid-Hi.

В схеме усилителя класса-D могут быть внесены изменения для повышения производительности. Например, за счет увеличения допустимой частоты колебаний. В автоколебаниях класса d скорость частоты определяется эффектом скорости включения-выключения обратной связи с замкнутым контуром, которая включает в себя все компоненты в петле обратной связи.

Улучшение может быть выполнено путем замены компаратора операционного усилителя на более мощный, например, от Burr-Brown. И главным аспектом из них является мощность МОП-транзистора, которую можно выбрать с помощью элемента с низкой емкостью затвора от IXYS, IRFP4227, IRFB4227 или других производителей с более продвинутыми характеристиками. Следует отметить наименьшую емкость затвора и самую высокую скорость переключения, и, конечно же, большой SOA (сервис-ориентированная архитектура).

Конструкция макетной печатной платы

Необходимые компоненты
  • TL071 IC — 1
  • CD4049 IC — 1
  • IR2110 IC — 1
  • БИПОЛЯРНЫЙ КОНДЕНСАТОР 10 мкФ — 1
  • РЕЗИСТОР 100К — 2
  • 1N4148 ДИОД — 5
  • 2К2 РЕЗИСТОР — 1
  • КОНДЕНСАТОР 1НФ — 3
  • 1К РЕЗИСТОР — 2
  • РЕЗИСТОР 10 ОМ — 6
  • КОНДЕНСАТОР 100 НФ — 4
  • 2Н5401 ТРАНЗИСТОР — 1
  • 330 мкФ КОНДЕНСАТОР — 2
  • КОНДЕНСАТОР 22OUF — 1
  • 4К7 РЕЗИСТОР — 3
  • РЕЗИСТОР 8К2 2Вт — 2
  • КОНДЕНСАТОР 100 мкФ — 3
  • Стабилитрон 5,6 В — 2
  • Стабилитрон 12 В — 1
  • МУР 120 ДИОД — 2
  • MUR460 -1
  • КОНДЕНСАТОР 220 пФ — 1
  • ИНДУКТОР 22UH — 1
  • 1K5 2W РЕЗИСТОР — 1
  • РЕЗИСТОР 10р 2Вт — 1
  • КОНДЕНСАТОР 680НФ / 300В — 1

Катушка индуктивности, используемая в этой цепи

Катушка индуктивности является основной частью этой принципиальной схемы. Так что не игнорируйте этот элемент. Использование правильного значения и правильной индуктивности даст вам максимальный пик выходного диапазона при использовании любого вида тороидального сердечника. Эта концепция неверна, потому что индуктор пропускает большой ток, поэтому для идеальной работы индуктору требуется высокая пропускная способность по току.

Поэтому я рекомендовал вам тороидальный Sendust – альсиферовый сердечник с номером — T106. Этот вид тороидального сердечника может выдерживать большой ток и высокую температуру.

Т106-26 сердечник Sendust для усилителя Class D

Усилитель класс-D своими руками + принцип работы

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все • Stereo.ru

При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

↑ Усилитель 3. TDA8954TH

Когда уже все было написано и готово к публикации, на меня внезапно свалился аппарат, позволивший мне без напрягов попробовать еще один вариант усилителя класса D на TDA8954TH. Эта серия сейчас широко используется в профессиональной аудиотехнике, а также в бытовой высококачественной аппаратуре, но, на удивление, не пользуется популярностью у самодельщиков. Попробуйте набрать в поиске название — удивитесь.

↑ Пожар в Behringer Eurolive B112D

Мне довелось «пощупать» их всех от TDA8950 до TDA8954. Но, как правило, это был мост в низкочастотной секции аппарата. Мне же нужен был усилитель в стерео режиме, причем широкополосник. И вот возможность предоставилась! Донор — активная АС Behringer Eurolive B112D. Пожар на плате:


На удивление, в живых остались все, за исключением сгоревших в хлам компонентов.


Только физическое разрушение платы позволило мне ее раздербанить для экспериментов. Причина — некачественные емкости в обвязке на выходе. Производитель выслал новый модуль целиком, а из «старого» я собрал «наколенный» вариант усилителя.

↑ Об особенностях чипа TDA8954TH

TDA8954TH представляет из себя стерео усилитель класса D. Гора плюсов!
Корпус пока что паябельный, у конкурентов корпуса уже для роботов. Возможность работы в стерео и в мостовом моно режиме. Мостовой режим, как правило, пользуется популярностью у производителей. Имеется встроенный генератор несущей, а также возможность работы от внешнего с делением его частоты на два. Производитель, для улучшения качества, настоятельно рекомендует использовать внешний генератор. Попробуем и поглядим.

Работает с нулевым Deadtime, так что КПД еще немного выше.

Оборудована мощным пакетом защит, и при испытаниях, мне не удалось ее специально вывести из строя кривыми руками — блин, а ведь так хотелось! КЗ на выходе держит хорошо, при перегреве втыкает флаг перегрева и снижает усиление — а там или выключайтесь или запускайте вентилятор — флаг вам выдали в руки.

Минусы:

неудобный корпус, неудобный шаг ног для высоконагруженных цепей и цепей питания. Хотя в общем топология почти симметричная. Сверху пластина теплоотвода, что несколько неудобно при монтаже на стандартные стойки без специальной теплопроводящей пластины. Еще минус — выходные цепи подразумевают кучу SMD конденсаторов на малом расстоянии от чипа, что не всегда хорошо — хорошая высоковольтная керамика в дефиците.

↑ Схема усилителя

Итак схема:


Генератор собран по проверенной схеме на HEF4047, за исключением частоты — она выше в два раза, в сравнении с предыдущим усилителем. Так как внутри микросхемы есть делитель на два, частота генератора должна быть в пределах от 500кГц, до 1МГц. Я гонял до 1,2МГц — все хорошо.
Q1,Q2 — схема плавного запуска. Формирует сигнал 0-5В на ноге MODE при подаче или снятии питания. Более детально — см. даташит. |Q3 — индикация срабатывания защиты от перегрева. Не отключает выход, но придавливает размах сигнала на выходе. Q4-Q7 — отключение АС при любой аварии в усилителе, а также при КЗ, перенапряжении, перегрузке по току и так далее. Полный список флагов есть в даташите. При включении — задержка подключения АС, как в обычном усилителе.

На входе два ОУ в качества буферов и формирователей симметричного сигнала. Каналы усилителя включены в противофазе, для снижения pumping-а, поэтому для правильной фазировки АС один канал включаю «наоборот». В принципе можно это сделать на выходных разъемах при установке в корпус. ОУ запитаны от силовых шин усилителя через LM317/LM337. Да, им тяжело, но в БП инженеры, в отличие от меня, не предусмотрели отдельного выхода для питания ОУ. А так как я использовал готовый набор запчастей, пришлось идти по их следам.

↑ Блок питания

Вообще, идея была запихать усилитель в формат корпуса для ЦАП, размером 200*200мм, и два угловых радиатора как раз этому способствовали. Поэтому БП и сам усилитель изготовлен на двух платах.


БП целиком взят с донора. Выкинут только компонент термозащиты и изменен стабилизатор на 5В. Так как данных на трансформатор у меня нет, описывать особо не буду. Контроллер NCP1271.Топология Flyback. Контроллер определенно умнее меня. Я так и не разобрался до конца как он работает.


Схему не вижу смысла рисовать, не рассказав про трансформатор, на выходе 2*38-42В (регулируемо), и 5В стабилизированно для защит, генератора и схемы запуска. Вот кусок сервисного мануала для ознакомления:

↑ Включение, подстройка, измерения

Если все собрано и запаяно правильно — при первом включении все работает. Нужно только подстроить частоту задающего генератора резистором R25. Тут вылезает много интересного. Например штатные дроссели греются прилично. Нештатные пихать некуда — места нет. КПД резонансного БП выше чем у флайбэка, LM317/337 с нагрузкой в два ОУ и два LED ощутимо сильно греют пластину радиатора, а сама микросхема в нагреве и не участвует. Поэтому или выкинуть буфер или сделать отдельную обмотку под их питание.
Но в целом, даже на коленке звучит оно замечательно:


Здесь наблюдается тот-же эффект, что и в усилителе на IRS2092. Внешнее тактирование дает уровень гармоник, превышающий даташитное значение. Видимо качество несущей — определяющий фактор для качественных показателей. Значит для серьезного улучшения ТТХ нужно применять генератор получше, в идеале кварц.

Но на слух — оно не заметно. Моя глухота не позволяет сделать однозначный вывод, но общее впечатление положительное. Особенно непривычно вздрагивать при добавлении громкости вместе с мебелью в комнате — ощущение запаса мощности непередаваемое, при скромных габаритах аппарата.

Принцип работы

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.

В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.

Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.

Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.

Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.

Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.

Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.

Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.

На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.

Как работают цифровые усилители? Обзор классов D, T, UcD, PurePath™ HDС

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

↑ Ломаем стререотипы

↑ Где лампы? Где утюг класса А, мощный тор питания в конце концов? Что за неуважение к аудиофильскому подходу?

Да все просто. Мы живем в среде стереотипов, навязанных нам некими гуру или авторитетами. Раз он так сказал — не может быть иначе. Поэтому нельзя к лампам прикрутить ИБП, нельзя использовать ОУ наподобие NE5532, а конденсатор в тракте обязательно должен быть мифический BlackGate. А почему никто не смеет задуматься, а что там на студии? Какие там ОУ и БП в пультах, цифровых магнитофонах? Как отполированы провода от микрофонов и инструментов? И отполированы ли они вообще? Правильно ли они включены и какой фирмы XLR-разъемы использовались? Как лежат провода? А шнуры питания? Под нужным ли углом?
А зря. Эту информацию надо иногда писать на обложках альбомов мелким шрифтом , чтоб отрезвить особо ретивых слушателей. Там, на студиях, все немного иначе…

Класс D прошелестел копытами мимо меня. Я тоже, грешным делом, находясь в плену стереотипов, считал его уделом музцентров и бумбоксов. Да, встречал в прецизионных (!) стабилизаторах материнских плат, и даже как-то собирал инверторы на 220 В — там тоже класс D по сути, но в звуке не использовал. Ровно до того момента, пока не попал мне в ремонт модуль активной АС HK-Audio HK Linear5 115FA.


Меня удивили габариты всей платы, и то что это двухполосная АС с мощностью под триста реальных ватт. Проблема была в БП, а усилители для НЧ и ВЧ секции были живы и здоровы. Но проверить после запуска было просто необходимо. Для этого был отключен работавший в этот момент клон Jeff Rowland-а и на его место воткнут модуль от HK.

Результат меня впечатлил! Я слышал утверждения, что усилитель должен быть на порядок мощнее используемой мощности, но чтоб настолько это было выражено?

↑ Как так? Это же клубно-уличная АС, не может так звучать этот усилитель! Тем более класс D!

Позднее я не раз в этом убеждался, когда слушал 2-3 киловаттные усилители на своих рабочих 50 ваттных АС, но первое впечатление было сильным. А главное — это фантастический КПД. Полевики на выходе стоят на небольших пластинках слева на фото, БП на ТОР262 справа, ВЧ секция в виде субмодуля вообще без радиаторов, охлаждение — 50 мм вентилятор один на всех и почти никаких отверстий. И оно не греется! Нет, греется, градусов до сорока после часа работы!

↑ Как оно вообще работает, болезное? Куда 300 Вт из БП уходит? Что вообще происходит?

Первое впечатление было очень тяжелым. Я привык верить глазам, рукам, а не буквам на картинке, поэтому я несколько дней слушал в разных режимах этот модуль, щупал, включал, выключал, измерял температуры. В конечном счете, академический интерес победил и я решил поближе познакомиться с этой технологией.
Оказалось, что уже несколько лет класс D прочно входит в нашу жизнь, и при этом обладает неплохими характеристиками. Например, сама по себе технология UcD (Universal class D), упрощенно, обычный усилитель, введенный в режим самовозбуждения, а аналоговый сигнал модулирует ширину импульсов этого возбуждения, и на выходе мы имеем ШИМ-модулированнй аудио сигнал с частотой этого самовозбуждения. Дальше дросселем и конденсатором преобразуем его обратно в аналог.

Теперь понятно, как в ноутбуках получают напряжения с тремя знаками после запятой.

Конечно, существует набор специализированных микросхем и полевых транзисторов, а также множество готовых решений. Например серия IRAUDAMP от бывшего IR, а теперь Infineon.

↑ Старт лабораторки

Почему бы не провести лабораторную работу с целью изучения принципа работы, подводных граблей, неожиданных открытий и прочего. Тот ассортимент оборудования, что я успел пощупать, довольно широк, но, как правило, это или продукт NXP с их TDA895х, или IRS209хх от Infineon в разных вариациях. Поэтому за основу были взяты IRAUDAMP6
и
IRADAMP7
на чудных
IRS20957
и
IRS2092
соответственно.

По воле случая, мне достался неисправный усилитель Behringer iNUKE NU6000

, поэтому партия IRS20957 и IRFB4227 были закуплены для его оживления. Это и определило выбор схемотехники. При этом задачи создать «киловатт с канала на два ома» не стояло — мне просто негде «это» использовать, а реальные железки на «киловатты» я и держал в руках, и штопал после пьяных диджеев и хромых электриков, и, естественно, слушал и оценивал. Так вот мощность я не закладывал, не измерял потом и не анонсировал. Где-то «ватт по сто» — будет более точное описание техзадания. По этой же причине не закладывались и лимитеры, дома они не нужны.

Ну что, вперед!

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

↑ Усилитель 2. IRS2092+IRFB4016

Прототипом послужила АС Electo-Voice ZXA1
(кстати там БП на IR2153!). Пришлось искать плавающий дефект, и с перепугу я закупил для них IRS2092 и IRFB4016. Дефект оказался никак не связан с полупроводниками — керамические конденсаторы зло, и я решил собрать усилитель на IRS2092.

Этот вариант я решил изготовить исключительно для сравнения. Так как IRS2092 имеет встроенный интегратор, то является фактически полноценным усилителем.


Зато решил применить внешний генератор. Как в вышеуказанной АС. Нет, топология так и осталась
self-oscillating
, но только частота синхронна с внешним источником. И фаза противоположна в обоих каналах, чтобы снизить pumping эффект. К тому же в усилитель добавлена ООС, снимаемая после дросселя. В оригинале частота жестко задана и равна 250кГц, я же решил сделать возможность ее регулировки.

↑ Блок питания

И тут снова пришлось изготавливать БП. Делать клон предыдущего я не стал, безжалостно разобрал ламповый гибрид на 6Э5П. БП на FAN7621.


Здесь все почти тоже самое. Только не стал вытаскивать защиту на отдельную обмотку и запитал ее от шины +12В через стабилизатор. Напряжение питания 6В выбрано из-за того, что у меня были в наличии реле на 5В. Для других реле напряжения придется корректировать. Также понизил напряжения питания усилителей до +/-38В. Кончились емкости. Остались только на 50В…

↑ Схема усилителя

Сам усилитель тоже несколько отличается от варианта 1. Одиночные ОУ в качестве буферов. Здесь их уже можно запитать от +/-9В. Выше делать не стал, чтобы не грузить стабилизаторы на Q1 и Q2. Плавный пуск от БП тоже не пригодился. Усилитель включается и выключается бесшумно.


Генератор опорной частоты собран на HEF4047. Планировал делать на чем-то типа 74АС04, но, к своему удивлению в хламе нашел таки 4047… Частоту можно подстраивать через R17.
Интересно, при первом запуске, усилитель отказался работать на частоте ниже 200кГц. Запуск, хаотическая генерация и уход в защиту. Хорошо была возможность регулировать частоту на ходу. Поднял выше 200кГц и все заработало! С чем это связано пока не могу сказать. У IRS20957 такого не было, генерила устойчиво от 80 кГц. Напрасно переживал и несколько раз перемерял все напряжения перед установкой полевиков и драйвера. После включения все заработало с первого раза!

↑ Дроссели

выковырял из какого-то БП.


Были на 60мкГн, отмотал до 22мкГн. Получилось около 24 витков. Провод около 2 мм. Хочу попробовать мотнуть литцем, но потом.

↑ Рекомендации по настройке

Для обоих микросхем есть application note. В них указано, как правильно настроить защиту от КЗ, как установить значение dead time, как выбрать элементы обвязки для установки частоты. В общих чертах ничего сложного. Например защиту настраиваем под используемые полевики. Настройка грубая, если использовать стандартный ряд сопротивлений. Если есть прецизионные номиналы — будет точнее. Выбор DT тоже зависит от полевиков и частоты. Например для тупых, но мощных IRFB4227 лучше ставить максимальный DT и не повышать частоту выше 180-200кГц. А вот для легких полевиков наоборот, можно повышать частоту и уменьшать DT.
Чем выше частота — тем выше качество передачи высоких частот. Примерно как в ЦАП. Но и гнать частоту до мегагерц невозможно. Настанет момент, когда полевики перестанут закрываться и пойдут сквозняки. Тут уже DT не поможет.

Если все собрано без ошибок, схема запускается с первого раза, настроить нужно, как правило, только частоту. Или заранее впаять нужный резистор. Остальное работает сразу. Если есть сомнения, можно навешать лампочек на шины питания. Мне как-то не потребовалось.

При запуске, в точке соединения полевиков, до дросселя, должно быть как-то так (делитель 1:10 размах — два питания):

Или так, без делителя:

А после дросселя так (без делителя).


Уровень несущей зависит от частоты, чем она выше, тем уровень ниже. Можно при текущей частоте его уменьшить, увеличив индуктивность или емкость фильтра, но следует помнить, что можно срезать АЧХ сверху. Так что фанатизм тут нежелателен.

Я думаю, можно применить Т-образный фильтр, и еще улучшить срез, но в реальности я почти нигде не видел применение двух дросселей на выходах, а те что имели вторую ступень, скорее фильтровали помехи от кабеля в усилитель, чем из него. Еще хорошо такие усилители использовать как низкочастотную секцию — типа сабвуфера или НЧ канала. При таком КПД усилителю не будет равных.

↑ Измерения

Все это хорошо, но на данном этапе надо чем-то помериться. Не важно чем и как, но без измерений, все мои повествования и восхваления будут не полными. Дрожащей рукой достаю побитый молью Creative X-FI HD, и попробую замерить то, что наваял. По традиции — измерение по кольцу.


Как видно, инструмент еще способен на многое, хоть и побывал уже в неравных боях с усилителями, о чем я рассказывал в предыдущих статьях.
С измерением усилителя возник легкий казус — дело в том, что свои нагрузочные ПЭВ я утратил в процессе переезда, поэтому нагрузкой у меня служат по два резистора 6R 5W в параллель, что придает измерениям некий шарм. Включил, отстроил уровни, выключил. Потому как дым от этих греющихся резисторов начинает застилать глаза и я боюсь, что бедный Creative наступит на ту-же лепешку, но уже по моей вине. А я же могу себе этого и не простить.

Для начала надо измерить общую картину:


И, как оказалось, она довольна неплоха, для импульсного усилителя, собранного по фекально-дендральной технологии на коленке. Это лучший результат после ряда попыток до перегрева нагрузочных резисторов. Хуже только при перегрузе АЦП или при понижении мощности с сохранением порога -2-5дБ. Там уже растет шум.

А как же АЧХ? Ну примитивно, с помощью freq sweep, я ее понаблюдал. Некоторая «синусоидальность» картинки — это особенность работы программы — реально она линейна до предела измерения карточки.


То есть мои опасения о спаде сверху из-за фильтра после полевиков оказались беспочвенны.

Данные измерения приведены для первой версии, которая на IRS20957, вторая, что на IRS2092 оказалась немного хуже по уровню THD, зато более приятная по звуку (вот этот обман, что мы принимаем порой за лучшее).

А вот теперь интересное наблюдение

: уровень THD, точнее уровень гармоник меняется при изменении несущей частоты. Причем не в обоих каналах, а наоборот — в одном может расти, в другом одновременно снижаться. Видимо генератор должен быть очень качественный, а в идеале вообще кварцован. Тогда картина будет иная. На данном этапе self oscillated выглядит лучше по измерениям.


Как-то так.

↑ Важное замечание по БП

То, что я использовал систему стабилизации для получения +12В питания драйвера — в корне неверно с точки зрения конструкторов профессиональных усилителей. Стабилизация напряжения с помощью ОС не используется нигде и никогда. БП, будь он резонанс или просто ШИМ, работает на максимальной отдаче в нагрузку. Управление используется только чтоб погасить БП при аварии усилителя. Реле в качестве разрыва нагрузки используется только в старых версиях усилителей. Все новые, при аварии, гасят БП, не разрывая нагрузку.

↑ Важное замечание по печатным платам

Одноименные шины силового питания соединены с обратной стороны обычными проводами. На трассировке эти соединения не указаны! Внимательнее при сборке.

↑ Первое впечатление от звука

— шикарная динамика. Особенно заметно на низах. У варианта два более мягкий звук в области середины — верха. Возможно влияние второй цепи ОС.
Схожее ощущение от динамики у меня было, когда я ставил после ремонта на прогон Dynacord L2400 на мощности 15-20 ватт. Громче просто невозможно было, пришлось бы уходить из помещения.

Второе впечатление от звука

— если не знаешь, что там стоит перед АС — не угадаешь. До этого, различие между лампой и АВ вычислялось легко. Здесь хорошо чувствуется запас по мощности, это сложно описать, нужно слушать. Аппарат «прозрачен» для любых жанров музыки.

Но самое «тяжелое» впечатление

— не греется ничего! То есть греется транс в БП — это было всегда, немного теплые дроссели — тоже норма, а остальное комнатной температуры. И зачем я городил эти алюминиевые пластины, ставил кучу радиаторов везде где не надо? Я понимаю, привычка. Особенно после ламп с их «высоким» КПД.

Но тут просто ощущение нереальности, как будто оно просто выключено и не работает… Естественно, если снимать с этих усилителей сотни ватт, то оно и нагреется, но для дома, когда нет войны с соседями и остатки ушей еще нужны, весь алюминий с этих плат можно смело сдать в цветмет — усилитель этого не заметит. А в SMD исполнении это вообще будет очень компактно, как на фото в начале статьи.

Вообще класс D не заканчивается на вышеописанных конструкциях. Ваш смартфон на 99% оборудован усилителем класса D, только маленьким. Автомобильные усилители, музценты, телевизоры — это только «начальный» этап применения этой технологии. Источники питания цифровых блоков ноутбуков, планшетов, сотовых телефонов, везде, где нужно получить, например 1,200 В для питания логики, а не 1,2 В ±10%, работают по схожему принципу. И работают отлично.

Особенности

Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.

Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.

Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.

Самодельный усилитель для сабвуфера в машину

Схема собрана на печатной плате из фольгированного текстолита. Конденсаторы С1 и С2 лучше использовать плёночные. При аварийной ситуации загорается красный светодиод в прерывистом режиме. Такой ситуацией является перегрев корпуса микросхемы, большие искажения сигнала или короткое замыкание на выходе.

Усилитель для саба в машину своими руками может быть смонтирован в одном корпусе с динамиком или установлен отдельно. Нужно обязательно предусмотреть доступ воздуха к радиатору, чтобы микросхема нормально охлаждалась. Потребляемый ток устройства может достигать 10 А, поэтому в цепи питания нужно поставить колодку с предохранителем, а соединение усилителя с аккумулятором выполняется толстым силовым кабелем.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

↑ Размышления и выводы

Мы живем в мире стереотипов. Кто-то считает 4А32 венцом творения, не подозревая, что в хороших современных 30-см динамиках подвижная система может весить меньше 30 грамм. Кто-то спит с лампой 6П3С под подушкой. Кто-то греет классом А свой дом, снимая на выходе 10 Вт полезной мощности. Особо упоротые полируют провода, забывая про тысячи полупроводников на пути от лазера CD плеера до выхода ЦАП.
Мне тоже высказали мои товарищи, что я предал идею… Но я никогда ничего не утверждал, не послушав и не попробовав, на основании чужого авторитетного мнения. Своя голова на что? Я обычно проверяю и слушаю. Так вот мое мнение про класс D — супер! Технология, которой нам когда-то так не хватало.

Зашел как-то ко мне в офис мой давний друг с которым учились в школе. Общие интересы к технике, но разные дороги в жизни. А у меня стоят переделанные S-70 1983 года. От АС остались только НЧ динамики и фильтры. Остальное я просто выкинул, о чем нисколько не жалею. Динамики только пока не смог. Пищалки новые — изодинамика, старые проткнули дети. Корпуса заказные, ~140 литров, фазоинвертор, весят в сборе под 50 кг каждая. Я на них проверяю усилители. Ну и слушаю конечно в фоне.

— А помнишь, — сказал он, — такими АС мы в школе спортзал прокачивали! — Помню, — ответил я, — но знаешь, чего нам реально не хватало тогда? — Чего? — Класса D! — Да, вот отмотать бы назад 30 лет, убрать чей-то домашний «Амфитон 101» + вентилятор и поставить на стол девайс размером с книгу. — И порвать всех!

На данном этапе развития звуковоспроизводящего оборудования слабым звеном является не усилитель и не источник. Эти устройства уже давно по своим характеристикам превосходят возможности человеческого слуха. Самое проблемное — динамик. Особенно, как у нас любят — широкополосник — дешево и сердито. Обещание производителей, измерение АЧХ — это как получится, зависит от корпуса и общей реализации. Реально, на звук влияет столько факторов, что получить эквивалентный THD динамика ниже 1% на мидбасе уже серьезная проблема.

Середина и верх — там уже почти решили — теми же электростатами или серьезным уменьшением массы подвижной системы с одновременным увеличением прочности.

Размеры помещения и стоячие волны — тот еще квест, автолюбители любят его решать ежедневно, увеличивая мощность усилителей, размер и вес динамиков, ибо другим способом физику не обмануть.

А какая прелесть резонансы на диффузорах — кто сталкивался, не даст соврать.

Поэтому хочу высказать свое мнение — данные усилители ничем не уступают на слух хорошему АВ классу, за исключением лучшей отдачи на низах, и меньших габаритах самого корпуса. А по КПД рвут всех.

И это «лабораторка», я не ждал много от этих устройств. При хорошем исполнении параметры будут ещё лучше, если поставить это себе как цель.

А у меня пока всё. Спасибо за внимание!

P.S.

Недавно обратил внимание — производители звукового оборудования стали гордо писать на упаковках
«Class D»
. А ведь
«SMPS»
не писали никогда. Странно, да?

Звук

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Усилитель 10 W для сабвуфера своими руками

Если большая мощность не требуется, то собрать усилок для сабвуфера можно на интегральной микросхеме или транзисторах. Очень хорошую схему УНЧ для сабвуфера можно собрать на интегральной микросхеме TDA2003. Если использовать только один корпус, то выходная мощность будет порядка 10 ватт. Для низкочастотных автомобильных акустических систем чаще используется мостовое включение двух микросхем. Такое включение позволяет получить до 25 ватт на нагрузке в 4 Ома. Питание схемы осуществляется от бортовой сети автомобиля. Поскольку количество дискретных элементов в схеме небольшое, печатную плату можно разработать самостоятельно. Сделать усилок для сабвуфера можно без печатной платы, распаяв элементы на макетной плате со стойками или лепестками. Чтобы избежать перегрева корпусов микросхем их нужно монтировать на радиаторах с теплопроводящей пастой.

Информация для начинающих УНЧ-строителей и не только: принцип работы, схемотехника, модификации и сравнительные характеристики различных типов импульсных (ключевых) усилителей.

Несмотря на расхожее мнение о том, что
усилители класса D были разработаны относительно недавно и являются продуктом современных цифровых технологий, данный класс имеет богатую историю, а его первые реализации были описаны ещё в эпоху радиоламп. Использовать ключевую схемотехнику для усиления звука впервые предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев в 1951 году, а в 1955 году француз Роже Шарбонье, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».
В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций (классы T, J, Z, TD и т. д.) используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). А в основе схемотехники, как правило, лежит генератор линейно-изменяющегося треугольного напряжения (ГЛИН с частотой, исчисляемой сотнями килогерц) и быстродействующий компаратор, преобразующий это треугольное напряжение в импульсы, длительность которых пропорциональна амплитуде входящего звукового аналогового сигнала (Рис.1).

Рис.1 Функциональная схема усилителя класса D с внешним ГЛИН треугольного напряжения
Механизм преобразования аналогового звукового сигнала в импульсное напряжение с изменяемой скважностью приведён на Рис.2.


Рис.2 Механизм формирования ШИМ сигнала в цифровом усилителе

Далее ШИМ сигнал, имеющий форму импульсов равной амплитуды, но разной длительности, усиливается с помощью пары симметрично включённых быстродействующих MOSFET транзисторов, после чего поступает на простейший LC-фильтр, который демодулирует усиленный сигнал, отсекая несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум. Поскольку выходные транзисторы работают в импульсном режиме, т. е. выступают в роли ключей, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии, КПД цифровых усилителей при практической реализации достигает значений порядка 90–95%. А это означает, что лишь единицы процентов энергии расходуются на нагрев полупроводников, поэтому радиаторы для них можно использовать крайне малого размера.

В настоящее время промышленно выпускается довольно большое количество специализированных и недорогих ИМС, предназначенных для работы в качестве усилителей класса D. Одна только производит линейку цифровых усилителей (номенклатурой — около 50-ти наименований) с широкими диапазонами питающих напряжений: 2,5…50 В и мощностей — 3…300 Вт. Поэтому интерес отдельной радиолюбительской братвы к построению цифровых усилителей на ШИМ-контроллерах, предназначенных для блоков питания (типа TL494 или подобных), мы здесь ни приветствовать, ни обсуждать не станем ввиду их весьма скромных качественных характеристик.

Отдельным подклассом усилителей звуковой частоты класса D являются устройства, не содержащие генератора треугольного напряжения, а работающие в режиме самовозбуждения или, иначе говоря — самоосцилляции (Self-Oscillating Amplifier). Самоосцилляция возникает вследствие введения положительной обратной связи. Частота импульсов обычно выбирается из диапазона 300…700 кГц, а длительность варьируется в соответствии с уровнем входного звукового сигнала. Однако и в данном типе усилителей также возможны варианты:

1. Усилители класса D с самовозбуждением, разработанные компанией Philips Electronics по UcD-технологии (Universal Class D) в 2005 году (Рис.3).


Рис.3 Структурная схема UcD-усилителя

Как видно из схемы, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью, поступающей с выхода ключевого усилителя через выходной фильтр (L1, C3) и цепь обратной связи (R1…R3, C1) на вход компаратора. Параметры фильтра и цепи обратной определяют частоту на которой фазовый сдвиг составляет 180 градусов, в результате чего и возникает автоколебательный процесс. Коэффициент усиления усилителя определяется отношением R3/R1. Величины сопротивления резистора R2 и ёмкости конденсатора C2 выбираются таким образом, чтобы частота колебаний была в диапазоне 300…350 кГц.

В описании демонстрационной версии UcD усилителя Philips UM10155 содержатся: принципиальные схемы и печатные платы изделия. При выходной мощности 200 Вт усилитель обеспечивает КПД — не менее 92% и коэффициент гармоник — не более 0.03%. Ознакомиться с описанием можно по ссылке — Philips UM10155.

Теоретически, в усилителе UcD, благодаря введению общей отрицательной обратной, появляется возможность реализовать более линейный режим его работы и получить меньшее (чем у усилителей с ГЛИН) значение уровней гармонических составляющих. К тому же ООС компенсирует активное сопротивление выходного дросселя, в результате чего коэффициент демпфирования получается очень высоким, что особенно важно при использовании усилителя с мощными сабвуферами. Однако по информации из различных источников следует, что характеристики UcD усилителей весьма критичны, причём критичны ко ВСЕМУ! Это касается и параметров применяемых полупроводников, и частоты среза и добротности выходного LC-фильтра, и построению корректирующей цепи обратной связи. С учётом необходимости иметь частоту среза выходного фильтра в районе 30 кГц, весьма сложно даётся увод частоты осцилляции на необходимые и стабильные 300…400 кГц, при которых искажения имеют приемлемый уровень. Именно поэтому данный тип усилителей и не нашёл широкого интереса массовых производителей электроники и ограничился не самой крупной компанией Hypex Electronics, выпускающей несколько серий модулей UcD усилителей, предназначенных в основном для активных сабвуферов. А вот обитатели форумных пространств не унывают и не падают духом где попало! Поэтому для желающих приобщиться к UcD-строению могу порекомендовать окунуться в 14-летнюю дискуссию, начинающуюся на странице — ссылка на страницу.

Несколько по-другому обстоят дела с другим видом самоосциллирующих усилителей:

2. Усилители «PurePath™ HD» класса D с самовозбуждением, разработанные компанией Texas Instruments (Рис.4).


Рис.4 Структурная схема усилителя PurePath™ HDС

В отличие от UcD устройств, в усилителях PurePath™ HD сигнал обратной связи снимается до выходного фильтра нижних частот. В связи с этим фазовый сдвиг, необходимый для устойчивой осцилляции, определяется, прежде всего, номиналами элементов петлевого фильтра, что делает работу усилителя более устойчивой и предсказуемой. О характеристиках таких усилителей можно судить по ИМС типа TAS5615 и TAS5616 (мощностью 150 Вт) и TAS5630 и TAS5631, представляющих собой стереофонические усилители с интегрированной цепью ОС и максимальной выходной мощностью 300 Вт на канал. Усилители обеспечивает коэффициент гармоник (Кг) 0.03% при выходной мощности 1 Вт на нагрузке 4 Ом. В мостовом включении TAS5630 и TAS5631 выдают 400 Вт максимальной мощности при 10% искажений. Микросхемы выпускаются в 44 выводных или 64 выводных корпусах, стоят у наших китайских друзей 8…10$, но гораздо более предпочтительным я бы посчитал не покупку ИМС и самостоятельное её паяние (со всеми вытекающими последствиями), а приобретение готового модуля, который на том же Али стоит вполне адекватных денег (Рис.5 слева).


Рис.5 Модуль 2×300 Вт TAS5630 и зависимость нелинейных искажений от вых. мощности

На диаграмме зависимости коэффициента гармоник от выходной мощности, взятой из Datasheet-а на TAS5630 (Рис.5 справа), видно, что картина с нелинейностью микросхемы не такая уж и радужная. Коэффициент гармоник 0.03%, приведённый в характеристиках для выходной мощности 1Вт начинает прилично расти как при понижении, так и при повышении мощности. На 10 ваттах он уже превышает 0,1%, а при мощностях свыше 100 ватт начинается лавинный рост, вплоть до 10%.

Если всё ж таки сильно хочется поэкспериментировать с PurePath осцилляцией, то я бы предложил популярную и недорогую микросхему компании International Rectifier — IRS2092, которая представляет собой основу звукового усилителя класса D. В сочетании с внешними МОП-транзисторами IRS2092 образует полный усилитель класса D с защитой от перегрузки и сквозных токов выходных транзисторов. Универсальная структура узла аналогового входа с усилителем ошибок и ШИМ-компаратором обладает гибкостью в реализации различных типов схем модуляции ШИМ, однако типовой областью применения ИМС являются усилители с автоколебательной технологией ШИМ PurePath.

Рис.6 Типовая схема включения IRS2092 с автоколебательной технологией ШИМ

Основные параметры усилителя D-класса на базе ИМС IRS2092: Максимальное напряжение питания ±100 В; Максимальный ток драйвера: ON — 1А, OFF — 1,2 А; DEADTIME — 25/40/65/105 nS; Время реакции защиты от перегрузки — 500 nS; Постоянное напряжение на выходе — менее 20 мВ; Максимальная частота ШИМ — 800 кГц; Коэффициент усиления без ООС — более 60 дБ; THD на нагрузке 4 Ω при вых мощности 50 Вт, 1 кГц — 0,01%; Уровень шума — 200 мкВ.

Ценность данной микросхемы состоит в том, что при увеличении количества выходных транзисторов (в параллельном включении), появляется бонус в виде достижения в нагрузке значительных (вплоть до киловаттных) мощностей. Естественно, что в этом случае придётся поднапрячься и позаботиться об умощнении драйверных выходов.

Ознакомиться с подробным функциональным описанием микросхемы IRS2092 на русском языке можно по ссылке — IRS2092.

3. Усилители класса T, разработанные фирмой Power Acoustic в 2000 году.

Усилители класса Т были анонсированы, как альтернатива ключевым усилителям других классов. Если в усилителях класса D используется ШИМ-модуляция с фиксированной частотой ГЛИН, то в усилителях класса T выходные транзисторы коммутируются с изменяющейся по псевдослучайному закону (Dithering of the Switching Frequency) частотой, значение которой, помимо прочего, зависит и от уровня входного сигнала. Dithering (дизеринг) представляет собой подмешивание в первичный коммутирующий сигнал псевдослучайного шума со специально подобранным спектром, что размазывает шум квантования в широкой полосе частот, в результате чего — спектральная плотность гармоник информационного сигнала и комбинационных искажений значительно снижаются при сохранении высокого параметра КПД. В связи со сложностью алгоритма — все эти манипуляции удобнее производить в цифровом виде при помощи специализированного сигнального процессора (Рис. 6).

Рис.7 Структурная схема стереофонического усилителя класса T

В 2000г. при финансовой поддержке компаний Cisco, Intel и Texas Instruments была создана фирма Tripath для разработок и производства полностью цифровых усилителей звука класса Т на базе собственной технологии DPP (Digital Power Processing). На сегодняшний день можно отметить одного из флагманов линейки, выпускаемой компанией Cisco — ИМС TDA2500. Микросхема представляет собой драйвер стереоусилителя класса Т, выполненный по технологии Digital Power Processing (DPP). При подключении микросхемы к источнику напряжением ±90В и внешним полевым транзисторам в соответствии с Datasheet-ом, производитель гарантирует следующие характеристики каждого канала при 4-омной нагрузке: TDN + N (искажения + шумы) = 0,02% при 50 W; TDN + N (искажения + шумы) = 0,1% при 650 W; TDN + N (искажения + шумы) = 1% при 800 W; TDN + N (искажения + шумы) = 10% при 1100 W; КПД при 500 W — 79% … Стоимость микросхемы TDA2500 у наших китайских друзей составляет немногим менее 1000$ за единицу продукции.

Однако не стоит хоронить класс D, всё дело в комплектующих — продекларировали гарны хлопцы из датской компании Lars Clausen Technologies и выдали на-гора свой класс усилителей под названием NewClassD.

4. Усилители класса NewClassD, выпускаемые компанией Lars Clausen Technologies с 2006 г.

На сегодняшний день компания Ларса Клаузена выпускает два модуля усилителей «Singularity 3» класса NewClassD мощностью 900 и 1200 Вт (при работе на 4-омную нагрузку). Вот, что датчане пишут про основные отличия своих изделий от обычного D-класса и причины, по которым их можно считать «одними из лучших усилителей звука в мире»:

1. Использование высокоскоростных SiCFET транзисторов на 600 В, которые работают примерно в 10 раз быстрее MOSFET-ов, обеспечивая лучшее разрешение в верхней части диапазона и меньший коммутационный шум; 2. Высокая частота дискретизации 850 кГц; 3. Качественные и сверхмалошумящие дискретные полупроводники от компании Rohm Semiconductor; 4. Тонкоплёночные прецизионные резисторы 5. Танталовые резисторы от Audio Note UK в цепи обратной связи; 6. Выходные фильтры из посеребрённого провода с тефлоновой изоляцией; 7. 6-слойная посеребрённая печатная плата с полной плоскостью GND; 8. Тщательная настройка каждого модуля для достижения идеальной производительности

Характеристики на 1200-ваттный агрегат приводятся следующие: Максимальная выходная мощность на 4 Ом — 900 Вт RMS Максимальная выходная мощность на 3,2 Ом — 1200 Вт RMS Диапазон воспроизводимых частот по уровню -3 дБ (4 Ом) — 2…180000 Гц THD + N при 1Вт (8 Ом) — 0,00033% THD + N при 40Вт (8 Ом) — 0,01% Динамический диапазон — 146 дБ Цена — 1456,88$


Рис.8 «Singularity 3» — 1200 Вт. Зависимость Кг от частоты при мощности 1Вт (8Ом)

Красивая картинка, но, как говорится — «Грустно, девицы!». Мы же с вами видим (судя по приведённым характеристикам), что уже при 40 ваттах искажения выросли в 30 раз! А что будет при 100, 200-ваттных и т. д. мощностях? А об этом шибко лукавый датский производитель предпочёл сильно не распространяться. Хотя, чего греха таить, качественных комплектующих и тщательной настройки, как и большой и чистой любви — много не бывает!

ЛИТЕРАТУРА 1. Philips Semiconductors — User manual UM10155 Discrete Class D High Power Audio Amplifier 2. Lars Clausen Technologies IVS — NewClassD 3. V. Makarenko — The comparative analysis of characteristics of key amplifiers of sound signals

Простая схема импульсного усилителя мощности класса D

Карманный усилитель звука на цифровых КМОП микросхемах.


Если немного поднапрячься и поскрести по сусекам сетевых знаний, то можно ненароком наткнуться на крайне простую схему импульсного усилителя мощности звуковых частот класса «D», выполненного на распространённой серии логических микросхем — CD40** (Рис.
1).

Рис.1 Схема импульсного усилителя на CD4050

Устройство представляет собой усилитель класса D с самоосцилляцией и может возбудить интерес радиолюбителя, решившего ознакомиться с данным классом импульсных усилителей.

Вот, что пишут на сайте https://soundbass.org.ua/, приводя схему данного устройства:
«Это импульсный УНЧ мощностью всего 0,6W. Он представляет собой генератор прямоугольных импульсов частотой около 1 МГц. Скважность этих импульсов изменяется под действием входного сигнала.
В основе схемы микросхема CD4050 — шесть преобразователей уровня с высокой нагрузочной способностью выходов и двухтактный выходной каскад на двух полевых транзисторах. Выходная импульсная последовательность интегрируется LC-цепью и инертностью динамической головки. В результате динамик излучает сигнал звуковой частоты.

На выходе использованы разноструктурные полевые ключевые транзисторы BS250 и BS170. Сопротивление полностью открытого канала BS170 равно 7 Ом, а BS250 — 14 Ом.
Чтобы компенсировать перекос в выходном сигнале, в схему включён резистор R3, последовательно каналу транзистора VT2. Он уравнивает сопротивления открытых каналов, так чтобы они были одинаковы, то есть, по 14 Ом. Можно использовать другие полевые ключевые разноструктурные транзисторы. Если сопротивления их открытых каналов равны, то R3 не нужен.»

Казалось бы — всё правильно написано, однако транзистор с сопротивлением открытого канала, превышающим сопротивление нагрузки, сводит на нет главное преимущество импульсных усилителей — высокий показатель КПД.

Как выяснилось, автором данной конструкции является инженер журнала Elector — Тон Гисбертс, а перепечатку его статьи можно найти на страницах русскоязычного издания Электронные компоненты №11 2009. Припадём к первоисточнику и описанию автора:


Рис.2 Принципиальная схема усилителя

Схема усилителя не является полностью аналоговой, а основана на широтно-импульсной модуляции сигнала (ШИМ). Усилитель относится к классу D и имеет не очень высокое качество звука.
Главное преимущество схемы — малый размер и простота. За счёт использования ШИМ звуку придаётся оригинальный металлический оттенок.
Принципиальная схема и печатная плата усилителя показаны на рисунках 1 и 4. Важно упомянуть, что транзисторы Т1 и Т2 не должны переключаться одновременно, поскольку сопротивление канала очень мало. Сопротивление канала n-канального транзистора равно 0,25 Ом, а р-канального — 0,5 Ом.
На выходе усилителя стоит ФНЧ Баттерворта второго порядка, образованный катушкой L1 и конденсатором C5. Он отсекает частоты выше 40 кГц.

Печатная плата усилителя приведена на Рис.3.


Рис.3 Печатная плата усилителя

Комментарий Vpayaem.ru:

На самом деле, частота самоосцилляции в данном устройстве определяется частотными свойствами применяемой микросхемы и может достигать 2МГц и выше. Изменение номиналов элементов C4 и R3 к существенному изменению частоты не приводят. Поскольку ИМС трудится вблизи своих частотных пределов, то работа импульсного усилителя сопровождается как достаточно высоким коэффициентом гармоник (около 1% на 1кГц и 0,5Вт), так и весьма низким параметром КПД. По этой же причине, при снижении сопротивления нагрузки до 4 Ом, может произойти срыв колебаний.
К тому же коэффициент передачи по напряжению такого усилителя близок к единице, что приводит к необходимости иметь на входе каскад, обеспечивающий необходимое усиления.

Устраним перечисленные недостатки.

Рис.4 Схема откорректированного импульсного усилителя

Основным изменениям подверглась цепь обратной связи. Теперь она состоит из цепи R2, C2, R3, C4, R6, которая обеспечивает необходимый фазовый сдвиг выходного сигнала для получения устойчивой самоосцилляции устройства на частоте 500…600 кГц.
Это дало возможность снижения сопротивления нагрузки до 4 Ом и существенного повышения КПД усилителя до стандартных значений 85…90%.
Ко всему прочему, коэффициент усиления входного сигнала повысился с единицы до ~15 раз (по напряжению).

В результате усилитель приобрёл следующие характеристики:
Максимальная мощность при напряжении питания 12 В и 4-омной нагрузке — 3,2 Вт (при Кг Коэффициент нелинейных искажений при мощности 1 Вт (4 Ом) Входное сопротивление — 3 кОм.

Выходной дроссель необходимо выбирать исходя из максимального протекающего через него тока ~ Uп/2/Rн.
В данном случае (при напряжениях питания до 15В) такое моточное изделие легко можно приобрести в готовом исполнении на ферритовых гантельках, либо намотать самостоятельно на кольце из смеси распылённого железа номер — 2 (красный цвет).
На низкочастотных ферритовых кольцах дроссель можно мотать только после пропила в нём необходимого воздушного зазора!

 

Как работает усилитель класса D

Усилители класса D начали массово использоваться в Hi-Fi лет 30 (или даже больше) назад. И все это время их конструкция и параметры совершенствовались. Эволюция этой технологии постепенно привела к тому, что, качество звука усилителей данного класса стало как минимум не хуже конструкций более традиционного для Hi-Fi класса A/B — разумеется, если разработчики правильно применяют данную технологию. Что ж, давайте поближе познакомится с усилителями D-класса.

По порядку рассчитайся!

Начнем с того, что буква D в названии этих усилителей выбрана исключительно как следующая по алфавиту после A, В и C, которыми были обозначены классы усилителей по мере их разработки. Но, если различия между первыми тремя хотя и значительны, но в целом позволяют отнести их к одному общему виду с точки зрения схемотехники, то класс D – это совсем другой «зверь».


Как мы помним, в классах A, B, A/B и C выходные каскады усилителей имеют дело с непрерывным сигналом, и при их работе та или иная часть энергии от источника питания расходуется впустую (то есть в тепло). Как следствие — необходимость использования пассивных или активных устройств для охлаждения, а также блоков питания с избыточной мощностью. Что вполне логично приводит к увеличению размеров и веса таких усилителей. Кстати, именно из-за непрерывного режима работы усилители перечисленных классов обычно называют «линейными», и для их обозначения мы также для краткости воспользуемся этим термином.


При разработке усилителей класса D было решено придумать схему, в которой бы вся (ну или почти вся) энергия блока питания преобразовывалась в выходной сигнал, подаваемый на колонки. И этого удалось достичь, переведя усилитель из линейного режима работы в импульсный. На первом рисунке показана упрощенная схема усилителя класса D. В принципе, у этой схемы есть определенное сходство с двухтактными усилителями линейного класса, и даже использование на выходе так называемых полевых МОП-транзисторов не является чем-то необычным. Применение в усилителях класса D именно таких транзисторов является принципиально важным, так как только они обладают необходимым быстродействием для передачи импульсного сигнала. Оптимальный КПД такого усилителя был бы достигнут, если бы его выходные транзисторы могли переключаться мгновенно, то есть находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. В реальном мире таких транзисторов пока еще не существует, но даже эффективность типичного усилителя класса D почти в два раза превышает эффективность схемы A/B-класса — более 90 процентов против примерно 50-ти.

Модуляция по широте

Ключевым же (в прямом и переносном) смысле схемы усилителя класса D является компаратор. Компаратор — это электронный «кирпичик», который имеет два входа: назовем их входом A и входом B. Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение.


На рисунке 2 показано, что делает компаратор в усилителе класса D. На один вход (вход A) подается сигнал, который нужно усилить (линия синего цвета).

На другой вход (вход B) поступают треугольные импульсы фиксированной частоты от специального задающего генератора (красная линия). В тот момент, когда уровень входного сигнала превышает уровень сигнала с генератора, выходной сигнал компаратора становится положительным. Когда входной сигнал оказывается ниже уровня «треугольника», выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна уровню сигнала в каждый момент (нижний график). Все просто, не правда ли? Теперь вы знаете, что такое широтно-импульсная модуляция или ШИМ — именно она чаще всего и используется в усилителях класса D.

Далее, выходной сигнал фильтруется для удаления помех и сглаживания формы, и подается на колонки, для работы которых он уже не будет ничем отличаться от получаемого с обычных линейных усилителей.


Чем чаще, тем лучше

Важно понимать, что чем выше частота импульсов задающего генератора, тем более детальным будет звучание усилителя.

Например, если эта частота составит 300 кГц (что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты), то усилитель класса D уже можно отнести к Hi-Fi. Динамический диапазон его звука и отношение сигнал / шум также зависят от частоты задающего генератора — чем она выше, тем лучше. Однако недостатком увеличения этой частоты является то, что с ее ростом усилитель класса D будет становиться менее эффективным, то есть будет терять принципиальное преимущество перед линейными схемами.


Конструкция усилителя Pro-Ject MaiA – без компромиссов

Еще один момент заключается в том, что схема класса D – это все-таки не вечный двигатель и для того, чтобы развить высокую выходную мощность, такому усилителю нужен соответствующий блок питания. Да, его энергия будет использоваться гораздо более эффективно, чем в линейных усилителях, но тем не менее мощность блока питания усилителя класса D должна немного превышать показатель его выходной мощности. А с ростом частоты задающего генератора потребляемая усилителем класса D энергия также будет расти.

Ограничения класса D

Если бы класс D был идеальным, то такие усилители уже полностью захватили бы мир Hi-Fi. Но, как и у любой другой технологии, у класса D есть свои недостатки. Пожалуй, можно начать со значительного уровня помех, которые способны генерировать подобный усилитель. И «простым» экранированием его схемы задачу по их устранению не решить — излучателем помех является акустический кабель, если из выходного сигнала не полностью удалены импульсы, вносимые генератором. За удаление этих помех отвечает фильтр на выходе усилителя, и именно от правильности его расчета и исполнения зависит качество звучания усилителя класса D.

Вторая проблема класса D напрямую связана с первой. Выходной фильтр на выходе такого усилителя пассивный, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, а значит, рассчитан на подключения определенного сопротивления. А мы уже знаем, что сопротивление колонок, указанное в их паспортных данных — например, 8 Ом — является величиной непостоянной, меняющейся в зависимости от частоты сигнала. Это сопротивление (точнее, импеданс, а значит еще и импеданс и емкость) подключенных колонок значительно влияет на параметры фильтра, снижая его эффективность.

И, в-третьих, усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования нагрузки. Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (на самом деле все гораздо сложнее, но пока не будем погружаться в частности) Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диффузоров динамиков колонок. Хороший усилитель не просто двигает диффузор вперед и назад, а контролирует его перемещение по всей траектории. Для этого и необходим высокий коэффициент демпфирования.


Новый усилитель Pro-Ject Stereo Box DS2 удваивает выходную мощность при переходе с 8 на 4-Омную нагрузку

Нет предела совершенству

Совершенствование технологии усилителей класса D привело не только к улучшению их звучания, но и упрощению конструкции, в том числе и за счет появления ряда специализированных микросхем. Как и обычно в Hi-Fi, по-настоящему качественный усилитель класса D нельзя сделать дешевым, однако есть много устройств, где данная технология реализована буквально «за копейки». Фактически из преимуществ данной технологии в них остаются только значительная выходная мощность при миниатюрных размерах (и то в сочетании с не самой высокой надежностью), но о качестве звука там можно забыть. К сожалению, многие меломаны, услышав такие усилители, в дальнейшем считают подобное звучание характерным для всех моделей класса D. Но к счастью, на рынке есть компании, чьи D-усилители как минимум не уступают, а то и превосходят по качеству звука сравнимые по цене аппараты, выполненные по классическим линейным схемам, одновременно являясь более компактными и мощными. Как знать, может быть это и есть будущее Hi-Fi индустрии?

При подготовке публикации использовались материалы с сайта: https://www.soundonsound.com/techniques/what-class-d-amplification#top


Драйвер усилителя класса d — Вместе мастерим

Компания International Rectifier разработала микросхему драйвера IRS2093 для высокоэффективных аудио усилителей класса D мощностью от 50 до 150 Вт, включающих системы домашнего кинотеатра и усилители автомагнитол.

Основанная на полумостовой топологии, микросхема IRS2093 объединяет в одном корпусе четыре канала аудио усилителя и драйверы с ШИМ модуляторами. Благодаря портативному корпусу MLPQ48 микросхема занимает на плате площадь в 2 раза меньшую по сравнению со своими аналогами.

С помощью внешнего MOSFET транзистора и набора пассивных компонентов может быть реализован полный 4-канальный аудио усилитель на пространстве платы, вдвое меньше ранее требуемой площади, без ущерба эффективности и с производительностью, ранее доступной только для усилителей класса АВ.

Микросхема IRS2093 имеет усилитель ошибок, ШИМ компаратор, драйвер затвора и надежную схему защиты. Кроме того, новый 200 В прибор имеет аналоговый ШИМ модулятор с частотой до 800 кГц, программируемую двунаправленную схему защиты по току с функцией восстановления, блокировку от пониженного напряжения питания и программируемое «мертвое» время. Микросхема драйвера может использоваться со специализированными MOSFET транзисторами с выходной мощностью от 50 до 150 Вт. Такие транзисторы оптимизированы на параметры, критичные для аудио приложений (например, эффективность, полный коэффициент гармоник, устойчивость к электромагнитным помехам).

Компания International Rectifier разработала микросхему драйвера IRS2093 для высокоэффективных аудио усилителей класса D мощностью от 50 до 150 Вт, включающих системы домашнего кинотеатра и усилители автомагнитол.

Основанная на полумостовой топологии, микросхема IRS2093 объединяет в одном корпусе четыре канала аудио усилителя и драйверы с ШИМ модуляторами. Благодаря портативному корпусу MLPQ48 микросхема занимает на плате площадь в 2 раза меньшую по сравнению со своими аналогами.

С помощью внешнего MOSFET транзистора и набора пассивных компонентов может быть реализован полный 4-канальный аудио усилитель на пространстве платы, вдвое меньше ранее требуемой площади, без ущерба эффективности и с производительностью, ранее доступной только для усилителей класса АВ.

Микросхема IRS2093 имеет усилитель ошибок, ШИМ компаратор, драйвер затвора и надежную схему защиты. Кроме того, новый 200 В прибор имеет аналоговый ШИМ модулятор с частотой до 800 кГц, программируемую двунаправленную схему защиты по току с функцией восстановления, блокировку от пониженного напряжения питания и программируемое «мертвое» время. Микросхема драйвера может использоваться со специализированными MOSFET транзисторами с выходной мощностью от 50 до 150 Вт. Такие транзисторы оптимизированы на параметры, критичные для аудио приложений (например, эффективность, полный коэффициент гармоник, устойчивость к электромагнитным помехам).

Схема усилителя класса D — в этой статье хочу поделится с вами схемой усилителя D класса сверх высокой мощности, он способен отдать в нагрузку 4Ом 3000Вт а на нагрузку 2Ом 4500Вт. Такой усилитель можно использовать как на соревнованиях по автозвуку так и на разных эстрадных мероприятиях на открытом воздухе.

Схема усилителя:

Усилитель построен с использованием всем известного драйвера IR2110 выход которого усилен транзисторами BD139/BD140. На выходе используется 3 пары выходных транзисторов типа IRFP260 что дает возможность усилителю, работать на мало омные нагрузки.

Такой мощности усилитель обязательно нуждается в хорошей защите от перегрузок и коротких замыканий на выходе. В этой схеме защита построена с использованием таймера NE555 и быстрого компаратора LM311 что обеспечивает быстрое срабатывание защиты не приводя к выходу из строя выходных транзисторов и драйвера.

Печатная плата усилителя:

Настройка усилителя сводится к установки срабатывания защиты переменным резистором RV1. Напряжение питания усилителя двухполярное от 32В до 100В. В выходном каскаде усилителя можно использовать транзисторы типа: IRFP260, IRFP4227, IRFP4242 и другие подобные, транзисторы следует обязательно закрепить на радиатор.

Список деталей:

Резисторы
R1, R3, R4, R9, R13, R18, R19, R20= 1K
R2, R16, R39= 100K
R5, R6= 10R
R7, R8=6K8/2W
R10, R21, R26, R27=4K7
R11, R17=6K8
R12=100R
R14, R15=4R7
R22, R23, R24, R25, R31, R33=47R
R28, R29, R30=0,1R/2W
R36, R38=22R/2W
R40=1K5/5W
R41=10R/2W
RV1=10K

Конденсаторы
C1=10uF/16V
C2=10N
C3, C4=1N
C5=470uF/16V
C6=220uF/16V
C7, C9, C11, C12, C13, C15, C16, C18, C19=100N MKP
C8=470uF/16V
C10, C14, C17=100uF/16V
C20=10uF/50V
C21, C22, C23=220N/475V
C24, C25, C26=470uF/180V
C27, C31, C33=100N/275V
C28, C29, C30=470uF/180V
C32=470N/250V

Диоды
D1, D2, D5, D10, D11= 1N4148
D3, D4= ZD5V6
D6, D18, D19= MUR460
D7= LED (RED) OCP
D8= ZD5V6
D9= LED (BLUE)
D12,D13,D14,D15,D16,D17= 1N5819

Транзисторы
Q1= 2N5401
Q4, Q6= BD139
Q5, Q7= BD140
Q8, Q9, Q10, Q11, Q12, Q13= IRFP260

Микросхемы
U1= TL071
Q2= CD4049
Q3= IR2110
U2= NE555
U3= LM311

Фото собранного усилителя:

Изготовление печатной платы усилителя:

Практические схемы ум на кт 805. Ультралинейный усилитель а класса. Печатка. Вид со стороны дорожек

Сегодня я расскажу о своем самом первом усилителе средней мощности на транзисторах.

Усилитель реально классный, мне очень понравилось. На выходе стоят транзисторы КТ803А

Автором схемы является J. Linsley Hood. Схему я срисовал с какого-то старенького журнальчика. Естественно все транзисторы зарубежные, но их можно заменить нашими отечественными.

Вот схема этого чуда

C1 = 220мФ
C2 = 100нф
C3 = 100мФ
C3 = 100нФ

R2 = 2.7к
R2 = 220
R3 = 2.2к
R4 = 8,2к
R7 = 100к
R8 = 39к
R9 = 100к
R10 = 10

VT1 = КТ361(2N3906)
VT2 = КТ602БМ(2N3697, КТ630Д, КТ801)
VT3,4 = КТ803А(MJ480)

Некотрые номиналы деталей берутся из этой таблицы

Настройка усилителя сводится к установке половины напряжения резистором R9 в точке Контр.

Выходные транзисторы рекомендуется устанавливать на радиаторы площадью 200 кв. см под каждый транзистор. И нельзя соединять радиаторы, чтобы не было короткого замыкания. Я использовал на испытаниях простые две пластины из корпуса DVD/ Но в коробку буду мутить норм. радиаторы

Питал усилитель я от импульсного блока питания. И скажу что никакого самовозбуждения небыло. Все благодаря цепочке C5-R10.

Вот фото собранного усилителя

Печатка. Вид со стороны дорожек

Печатку для усилителя 10 Вт класса А на КТ803А

Постовой : Если вам надо провести качественные электро монтажные работы, то есть хорошая контора v220.kiev.ua . Делают качественно и быстро

Related Posts

Вынул из телевизоров динамики 3ГДШ-1, чтоб не лежали без дела решил сделать колонки, но так как внешний усилитель с сабвуфером у меня есть, значит, буду собирать сателлиты.

Всем привет, уважаемые радиолюбители и аудиоманы! Сегодня я расскажу как доработать высокочастотный динамик 3ГД-31 (-1300) он же 5ГДВ-1. Применялись они в таких акустических системах, как 10МАС-1 и 1М, 15МАС, 25АС-109…….Доработка и установка динамика 4ГД-35-65 в аудиосистему 10МАС-1М

И снова мой знакомый Вячеслав (SAXON_1996) Хочет поделится своей наработкой по колонкам. Слово Вячеславу Досталась как — то мне одна колонка 10МАС с фильтром и высокочастотным динамиком. Я долго не…….

Читатели! Запомните ник этого автора и никогда не повторяйте его схемы.
Модераторы! Прежде чем меня забанить за оскорбления, подумайте, что Вы «подпустили к микрофону» обыкновенного гопника, которого даже близко нельзя подпускать к радиотехнике и, тем более, к обучению начинающих.

Во-первых, при такой схеме включения, через транзистор и динамик пойдет большой постоянный ток, даже если переменный резистор будет в нужном положении, то есть будет слышно музыку. А при большом токе повреждается динамик, то есть, рано или поздно, он сгорит.

Во-вторых, в этой схеме обязательно должен быть ограничитель тока, то есть постоянный резистор, хотя бы на 1 КОм, включенный последовательно с переменным. Любой самоделкин повернет регулятор переменного резистора до упора, у него станет нулевое сопротивление и на базу транзистора пойдет большой ток. В результате сгорит транзистор или динамик.

Переменный конденсатор на входе нужен для защиты источника звука (это должен обьяснить автор, ибо сразу же нашелся читатель, который убрал его просто так, считая себя умнее автора). Без него будут нормально работать только те плееры, в которых на выходе уже стоит подобная защита. А если ее там нет, то выход плеера может повредиться, особенно, как я сказал выше, если выкрутить переменный резистор «в ноль». При этом на выход дорогого ноутбука подастся напряжение с источника питания этой копеечной безделушки и он может сгореть. Самоделкины, очень любят убирать защитные резисторы и конденсаторы, потому-что «работает же!» В результате, с одним источником звука схема может работать, а с другим нет, да еще и может повредиться дорогой телефон или ноутбук.

Переменный резистор, в данной схеме должен быть только подстроечным, то есть регулироваться один раз и закрываться в корпусе, а не выводиться наружу с удобной ручкой. Это не регулятор громкости, а регулятор искажений, то есть им подбирается режим работы транзистора, чтобы были минимальные искажения и чтобы из динамика не шел дым. Поэтому он ни в коем случае не должен быть доступен снаружи. Регулировать громкость, путем изменения режима НЕЛЬЗЯ. За это нужно «убивать». Если очень хочется регулировать громкость, проще включить еще один переменный резистор последовательно с конденсатором и вот его уже можно выводить на корпус усилителя.

Вообще, для простейших схем — и чтобы заработало сразу и чтобы ничего не повредить, нужно покупать микросхему типа TDA (например TDA7052, TDA7056… примеров в интернете множество) , а автор взял случайный транзистор, который завалялся у него в столе. В результате доверчивые любители будут искать именно такой транзистор, хотя коэффициент усиления у него всего 15, а допустимый ток аж 8 ампер (сожгет любой динамик даже не заметив).

Большинство аудиолюбителей достаточно категорично и не готово к компромиссам при выборе аппаратуры, справедливо полагая, что воспринимаемый звук обязан быть чистым, сильным и впечатляющим. Как этого добиться?

Поиск данных по Вашему запросу:

Усилитель на кт805бм своими руками

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Пожалуй, основную роль в решении этого вопроса сыграет выбор усилителя.
Функция
Усилитель отвечает за качество и мощь воспроизведения звука. При этом при покупке стоит обратить внимание на следующие обозначения, знаменующие внедрение высоких технологий в производство аудио — аппаратуры:


  • Hi-fi. Обеспечивает максимальную чистоту и точность звука, освобождая его от посторонних шумов и искажений.
  • Hi-end. Выбор перфекциониста, готового немало заплатить за удовольствие различать мельчайшие нюансы любимых музыкальных композиций. Нередко к этой категории относят аппаратуру ручной сборки.

Технические характеристики, на которые следует обратить внимание:

  • Входная и выходная мощность. Решающее значение имеет номинальный показатель выходной мощности, т.к. краевые значения часто недостоверны.
  • Частотный диапазон. Варьируется от 20 до 20000 Гц.
  • Коэффициент нелинейных искажений. Здесь все просто — чем меньше, тем лучше. Идеальное значение, согласно мнению экспертов — 0,1%.
  • Соотношение сигнала и шума. Современная техника предполагает значение этого показателя свыше 100 дБ, что сводит к минимуму посторонние шумы при прослушивании.
  • Демпинг-фактор. Отражает выходное сопротивление усилителя в его соотношении с номинальным сопротивлением нагрузки. Иными словами, достаточный показатель демпинг-фактора (более 100) уменьшает возникновение ненужных вибраций аппаратуры и т.п.

Следует помнить: изготовление качественных усилителей — трудоемкий и высокотехнологичный процесс, соответственно, слишком низкая цена при достойных характеристиках должна Вас насторожить.

Классификация

Чтобы разобраться во всем многообразии предложений рынка, необходимо различать продукт по различным критериям. Усилители можно классифицировать:

  • По мощности. Предварительный — своеобразное промежуточное звено между источником звука и конечным усилителем мощности. Усилитель мощности, в свою очередь, отвечает за силу и громкость сигнала на выходе. Вместе они образуют полный усилитель.

Важно: первичное преобразование и обработка сигнала происходит именно в предварительных усилителях.

  • По элементной базе различают ламповые, транзисторные и интегральные УМ. Последние возникли с целью объединить достоинства и минимизировать недостатки первых двух, например, качество звука ламповых усилителей и компактность транзисторных.
  • По режиму работы усилители подразделяются на классы. Основные классы — А, В, АВ. Если усилители класса А используют много энергии, но выдают высококачественный звук, класса B с точностью до наоборот, класс AB представляется оптимальным выбором, представляя собой компромиссное соотношение качества сигнала и достаточно высокого КПД. Также различают классы C, D, H и G, возникшие с применением цифровых технологий. Также различают однотактные и двухтактные режимы работы выходного каскада.
  • По количеству каналов усилители могут быть одно-, двух- и многоканальными. Последние активно применяются в домашних кинотеатрах для формирования объемности и реалистичности звука. Чаще всего встречаются двухканальные соответственно для правой и левой аудиосистем.

Внимание: изучение технических составляющих покупки, конечно, необходимо, но зачастую решающим фактором является элементарное прослушивание аппаратуры по принципу звучит-не звучит.

Применение

Выбор усилителя в большей степени обоснован целями, для которых он приобретается. Перечислим основные сферы использования усилителей звуковой частоты:

  1. В составе домашнего аудиокомплекса. Очевидно, что лучшим выбором является ламповый двухканальный однотакт в классе А, также оптимальный выбор может составить трехканальный класса АВ, где один канал определен для сабвуфера, с функцией Hi — fi.
  2. Для акустической системы в автомобиле. Наиболее популярны четырехканальные усилители АВ или D класса, в соответствии с финансовыми возможностями покупателя. В автомобилях также востребована функция кроссовер для плавной регулировки частот, позволяющей по мере необходимости срезать частоты в высоком или низком диапазоне.
  3. В концертной аппаратуре. К качеству и возможностям профессиональной аппаратуры обоснованно предъявляются более высокие требования в силу большого пространства распространения звуковых сигналов, а также высокой потребности в интенсивности и длительности использования. Таким образом, рекомендуется приобретение усилителя классом не ниже D, способного работать почти на пределе своей мощности (70-80% от заявленной), желательно в корпусе из высокотехнологичных материалов, защищающем от негативных погодных условий и механических воздействий.
  4. В студийной аппаратуре. Все вышеизложенное справедливо и для студийной аппаратуры. Можно добавить о наибольшем диапазоне воспроизведения частот — от 10 Гц до 100 кГц в сравнении с таковым от 20 Гц до 20 кГц в бытовом усилителе. Примечательна также возможность раздельной регулировки громкости на различных каналах.

Таким образом, чтобы долгое время наслаждаться чистым и качественным звуком, целесообразно заранее изучить все многообразие предложений и подобрать вариант аудио аппаратуры, максимально отвечающий Вашим запросам.

Эта схема усилителя звука была создана всеми любимым британским инженером (электронщик-звуковик) Линсли-Худом. Сам усилитель собран всего на 4-х транзисторах. С виду — обыкновенная схема усилителя НЧ, но это лишь с первого взгляда. Опытный радиолюбитель сразу поймет, что выходной каскад усилителя работает в классе А. Гениально то, что просто и эта схема тому доказательство. Это сверхлинейная схема, где форма выходного сигнала не изменяется, то, есть на выходе мы получаем ту же форму сигнала, что на входе, но уже усиленный. Схема более известна под названием JLH — ультралинейный усилитель класса А , и сегодня я решил представить ее вам, хотя схема далеко не новая. Данный усилитель звука, своими руками собрать может любой рядовой радиолюбитель, благодаря отсутствию в конструкции микросхем, делающей его более доступным.

Как сделать усилитель для колонок

Схема усилителя звука

В моем случае использовались только отечественные транзисторы, поскольку с импортными напряг, да и стандартные транзисторы схемы, найти нелегко. Выходной каскад построен на мощных отечественных транзисторах серии КТ803 — именно с ними звук кажется лучше. Для раскачки выходного каскада использован транзистор средней мощности серии КТ801 (удалось найти с трудом). Все транзисторы можно заменить на другие (в выходном каскаде можно использовать КТ805 или 819). Замены не критичны.


Совет: кто решит попробовать на «вкус» этот самодельный усилитель звука — используйте германиевые транзисторы, они лучше звучат (ИМХО). Было создано несколько версий этого усилителя, все они звучат… божественно, других слов не могу найти.

Мощность представленной схемы не более 15 ватт (плюс минус), ток потребления 2 Ампер (иногда чуть больше). Транзисторы выходного каскада будут греться даже без подачи сигнала на вход усилителя. Странное явление, не правда ли? Но для усилителей класса. А, это вполне нормальное явление, большой ток покоя — визитная карточка буквально всех известных схем этого класса.


В ролике представлена работа самого усилителя, подключенного к колонкам. Обратите внимание, что ролик снят на мобильный телефон, но о качестве звука можно судить и так. Для проверки любого усилителя стоит лишь послушать всего одно мелодию — Бетховен «К Элизе». После включения становится ясно, что за усилитель перед вами.

90% микросхемных усилителей не выдержат тест, звук будет «обломанным» могут наблюдаться хрипы и искажения при высоких частотах. Но вышесказанное не касается схемы Джона Линсли, ультралинейность схемы позволяет полностью повторить форму входного сигнала, этим получая только чистое усиление и синусоиду на выходе.

В моем случае схема усилителя звука была реализована на макетной плате, пока нет возможности собрать второй канал, но в будущем обязательно сделаю и помещу все в корпус.



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.
  8. Усилители
  9. класса D обладают уникальными функциями дистанционного управления, группового управления и мониторинга.
  10. 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 класса D MCQ

Итак, это все об усилителе 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?

Проектирование и моделирование аудиоусилителя класса D

Поделись этим: Фейсбук Логотип Facebook Твиттер Логотип Твиттера Реддит Логотип Reddit LinkedIn Логотип LinkedIn WhatsApp WhatsApp logo

Abstract

Диссертация о разработке и моделировании цифрового усилителя звука класса D, который обычно используется в различных приложениях в повседневной жизни человека, таких как аудиоплееры, планшеты, наушники, смартфоны. Усилители класса D доступны с 1960-х годов в полевых условиях, но не используются регулярно в приложениях с высокой точностью воспроизведения. Усилители класса D также известны как импульсные усилители. Аудиоусилитель класса D обычно имеет высокий КПД для любого диапазона выходной мощности от среднего до высокого. Усилитель класса D естественным образом совместим с широтно-импульсной модуляцией и почти 100% эффективностью. Усилители класса AB обеспечивают очень высокое качество звука, но уступают по эффективности усилителям класса D, эти усилители обычно имеют низкую эффективность. Усилители класса D непрерывно переключают выход с отдельных перил на другие на сверхзвуковой частоте, контролируя пространственное соотношение, чтобы получить среднее значение, представляющее мгновенный уровень аудиосигнала. Альтернативно это называется широтно-импульсной модуляцией. Здесь используются входные звуковые частоты в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц. Полученный звуковой сигнал желательно обучить и отфильтровать раньше, чем треугольную волну. И фильтр нижних частот должен использоваться для остановки алиасинга, тогда уровень должен быть ограничен меньше, чем у треугольной волны. И амплитуда аудиосигнала может быть ослаблена или усилена для сравнения, что с компаратором обеспечивает также амплитуду треугольной волны. Для увеличения отношения сигнал/шум пиковый уровень звука на входе должен быть как можно ближе к системе и в полной шкале. Зависит от конкретного приложения, а также от громкоговорителя, и это может быть полезно для ограничения полосы входного сигнала. хороший пример, когда используется небольшой динамик, который действительно не может воспроизводить тона ниже 100 Гц, а вход должен быть отфильтрован высокими частотами для уменьшения потерь энергии и возможного повреждения динамика.

Содержание

Нажмите, чтобы развернуть Содержание

Введение

Для чего нужны усилители звука?

Аудиоусилитель класса А

Аудиоусилитель класса B

Усилитель класса AB

Эффективность усилителя класса G

Усилитель класса D

История усилителя класса D

Основные принципы

Базовая структура МОП-транзистора и условное обозначение

Операционный усилитель

Выходные фильтры

Зачем нужен фильтр в усилителях класса D

Фильтр нижних частот

Выбор компонента

Сравнение топологии

— линейная и класс D

Преимущество усилителя класса D

Методология

Процессор

Моделирование

Заключение и перспектива

Ссылки

Таблица цифр

Рисунок 1: Аудиоусилитель класса А

Рисунок 2: Аудиоусилитель класса B

Рисунок 3: Аудиоусилитель класса AB

Рисунок 4: Базовая блок-схема аудиоусилителя класса D

Рисунок 5: Форма выходного сигнала аудиоусилителя класса D

Рисунок 7: Базовый операционный усилитель

Рисунок 8: Базовый усилитель класса D Фильтр нижних частот

Рисунок 9: Сравнение топологии — линейная и класс D

Рисунок 10: Принципиальная схема волны ШИМ

Рисунок 11: Треугольные и синусоидальные частоты

Рисунок 12: Сигнал широтно-импульсной модуляции от операционного усилителя

Рис. 13: Переключающий каскад аудиоусилителя класса D

Рисунок 14: Выходной сигнал коммутационного каскада

Рисунок 15: Конструкция фильтра для усилителя

Рисунок 16: Аудиовыходной сигнал

Введение

Основная цель аудиоусилителей состоит в том, чтобы обеспечить возврат входного аудиосигнала в звук, производящий выходной сигнал с надлежащими уровнями мощности и требуемыми уровнями громкости с низким уровнем искажений. Усилители должны обеспечивать очень хорошую выходную частоту в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. В зависимости от области применения уровни мощности могут различаться: в наушниках они могут быть выражены в милливаттах, в телевизоре или ПК — в ваттах, в домашних стереосистемах и автомобилях — в десятках ватт, а в коммерческих звуковых системах — более чем в сто ватт. Поэтому для наполнения звуком театров и аудиторий был использован аудиоусилитель с аналоговой реализацией на прямых линейных транзисторах для создания выходного напряжения, соответствующего входному напряжению. Здесь мы обнаруживаем очень высокий уровень напряжения прямого усиления, если оно является частью контура, очевидно, что коэффициент усиления повысится до высокого уровня в целом контуре. Почему, потому что всегда высокий коэффициент усиления контура всегда улучшает характеристики при искажениях, вызванных нелинейностями в прямых путях, и снижает шум питания за счет ослабления источника питания, который увеличивается. (Слон, 1999)

Для чего нужны усилители звука?

В звуковой структуре усилители мощности занимают промежуточное положение между громкоговорителем и остальной частью звуковой системы. В обычной идиоме «усилитель звука» становится аббревиатурой «усилитель», а также «усилитель». Но в целом аудиоусилители (кроме отдельных дисковых головок) являются настоящими «драйверами громкоговорителей». А смысл глобальная неопределенность микронаушники вдобавок наушники задействованы. Иногда усилители остаются объединенными с динамиками, создавая «активные динамики»; в противном случае они могут быть упакованы с целью отказа от оборудования, т. е. в виде отечественного «интегрированного» усилителя типа Hi-Fi или +предусилителя, а также группового «микшера-усилителя». (Дункан, 1996)

Аудиоусилитель класса А

Усилитель класса А является одним из самых простых устройств по сравнению с другими усилителями. Этот усилитель хорошо известен за низкий уровень искажений сигнала и обеспечивает наилучшее качество звука. Простая и веская причина для выбора усилителя этого класса заключается в высочайшем уровне линейности, работающем на линейных участках кривой характеристики. (Watkinson, 2001)

Поскольку в усилителе класса A используется один транзистор, такой как биполярный, полевой транзистор, IGBT и т. д., который обычно подключается к конфигурации эмиттера с обеими половинами формы волны, при этом ток всегда протекает через транзистор, поскольку без базового сигнала это тоже ничего. но выходная фаза биполярных, MOSFET, IGBT никогда не может перейти в состояние отсечки или даже области насыщения, поэтому она будет неустойчиво проходить через базовую точку смещения Q в середине линии нагрузки. Таким образом, транзистор никогда не может быть выключен или выйдет из строя, что является отличным поступком. (Я, 2006)

Рис. 1: Аудиоусилитель класса А

Для получения высокой линейности и усиления выход класса А постоянно включен, поскольку он классифицируется как класс А из-за нулевого тока холостого хода выходного каскада. должен быть равен или должен быть больше, чем ток нагрузки, который можно использовать для создания максимального выходного сигнала

Класс A эквивалентен источнику тока, поскольку он будет работать с линейной частью характеристической кривой, а выходной сигнал проводит полную форму волны 360 градусов на выходе .

Здесь наш класс A работает в линейной области, напряжение смещения базы транзистора должно быть выбрано для точной работы и низкого искажения, и все время выход включен, что ведет к постоянному току, что указывает на то, что усилитель продолжает терять мощности

Он создает так много тепла из-за того, что перетоки блоков питания продолжаются втихаря, добавляя низкий КПД в размере 30%, что делает их неработоспособными для усилителей большой мощности, а также из-за большого тока холостого хода блок питания рассчитан на фильтр, чтобы избежать числа и других искажений. Таким образом, этот усилитель класса А более эффективен из-за низкой эффективности и проблем с перегревом. (Я, Справочник, Дизайн усилителя мощности звука, 2009 г.)

Аудиоусилитель класса B

Когда входной сигнал проходит положительно, транзистор переходит в состояние положительного смещения, а отрицательный транзистор переходит в состояние ВЫКЛ. Вероятно, когда входной сигнал проводит отрицательно, положительный транзистор переходит в состояние ВЫКЛ и включает отрицательный транзистор так что отрицательный сигнал был проведен. Таким образом, транзистор проводит только половину времени, независимо от того, находится ли он на положительном или отрицательном входном сигнале

. Здесь мы можем наблюдать, что транзистор класса B проводит только половину, т.е. 180 градусов, давая выходной сигнал в виде волны. Здесь выходной каскад имеет сигнал на обеих половинах стороны, и эти две половины объединяются и выдают сигнал полной линейной формы выходного сигнала

Рисунок 2: Аудиоусилитель класса B

Конструкция двухтактного усилителя намного эффективнее, чем у усилителя класса A, но до некоторой степени здесь основная проблема с усилителем класса B заключается в форме сигнала с нулевой точкой пересечения, это может создавать искажения из-за входного напряжения транзистора от отрицательного 0,7 до положительного 0,7

Как мы обсуждали из учебных пособий, требуется 0,7 вольта от напряжения базового эмиттера, чтобы получить биполярный транзистор и провести его. Здесь выходной транзистор не смещен в состояние ВКЛ в

Усилитель класса B, пока не будет превышен предел напряжения.

Ничего, кроме того, что форма волны находится в пределах 0,7 вольта, не может быть сгенерирована, чтобы сделать аудиоусилитель класса B для дальнейшего применения

Итак, чтобы устранить такого рода искажения, был введен класс AB

Усилитель класса AB

Само название говорит о том, что этот усилитель состоит из комбинации усилителей класса A и класса B. В настоящее время это наиболее часто используемый усилитель для усиления мощности звука. Здесь, как мы сказали, этот класс AB имеет изменение по сравнению с вышеупомянутым усилителем класса B, за исключением того, что изменение этих обоих усилителей проводится одновременно в точках пересечения сигналов, устраняя искажения проблемы кроссовера усилителя класса B.

Напряжение смещения этих двух транзисторов очень мало и составляет от 5 до 10 процентов для смещения транзистора при токе покоя, который немного выше точки отсечки. Таким образом, это проводящее устройство переходит в состояние ВКЛ либо на полевом транзисторе, либо на биполярном, что превышает уровень полупериода входного сигнала. Здесь, в этом усилителе, транзисторы как push, так и pull проводят более чем вдвое больше, чем проводимость класса B, и меньше, чем проводимость полного цикла класса A.

Это означает, что здесь проводимость класса AB находится между 180 и 360 градусами что зависит от ситуации, как мы можем видеть на рисунке. 9Рис. 3. Аудиоусилитель класса AB негативных последствий усилителя класса А. Таким образом, с точки зрения эффективности усилитель класса AB намного лучше по сравнению с усилителем класса A и класса B, достигая энергии преобразования около 50 процентов к 60 процентам.

Усилитель класса G

Аудиоусилитель большинства категорий с меньшей эффективностью по сравнению с классом B; например, первый класс AB явно менее эффективен на низком уровне вышеупомянутой мощности, хотя понятно, что класс A практически полностью потребляет энергию. Создавать усилители с повышенной эффективностью очень сложно. Класс-D, проводящий ультразвуковую широтно-импульсную модуляцию, обеспечивает высокую производительность мощностей и иногда беспроблемную, а затем бесспорно проблемную технологию. Реальная эффективность прерываний класса D зависит от фактов стратегии схемы и индивидуальности устройства. Выходной LC-фильтр, казалось бы, неизбежный — второй порядок наименьшего — может обеспечить только плавный отклик на уникальный импеданс нагрузки, тогда его магнитные свойства не остаются ни уменьшенными, ни легкими для проецирования. Из-за излучения можно обойти серьезные проблемы с электромагнитной совместимостью. Класс-D не является разумным предложением, используемым для лучших бытовых усилителей, которые нуждаются в дискретном динамике с неопределенными характеристиками импеданса.

Эффективность усилителя класса G

Нормальное математическое определение эффективности класса B посредством прямого интегрирования расходов на синусоидальный привод завершает полупериод расчета внутреннего рассеяния по сравнению с долей напряжения, т. е. частью возможного колебания производственного напряжения. Как известно, в настоящее время в классе B максимальное тепловыделение составляет около 40% от установленной выходной мощности, на участке выходного напряжения 63%, что означает, что также передается 40% концентрированной выходной мощности на нагрузку. Арифметика проста, так как форма волны серьезно не отличается по форме через уровень выходного сигнала. Предполагается любая возможная идеализация, например, нулевой неактивный ток, отсутствие эмиттерных резисторов, а также отсутствие потерь Vce и ​​так далее. В классе G, устроенном дополнительно, формы сигналов остаются сильной задачей на уровне вывода, требуя переменных параметров интегрирования и так далее, вдобавок ко всему это становится очень тяжелым. Чертеж распределения выходной мощности, показывающий, каким образом мощность, отбираемая от источника, распределяется между вырождением выходного устройства и полезной мощностью на нагрузке. Никто не согласен с тем, что синусоидальные волны плохо имитируют музыку, используемую для этой цели, тогда их главное преимущество в том, что они допускают прямое противопоставление морально-математическому методу. Тем не менее, в то время как общая цель Class-G заключается в энергосбережении, а переработанная форма волны имеет солидный результат в результатах.

Усилитель класса D

Усилитель класса D чрезвычайно сильно потребляет при приеме. Это связано с тем, что усилитель класса D дает максимальную эффективность в любых классах усилителей, в то время как представление, особенно популярное в зачете линейности, не столь достойное.

Поле запроса на этот усилитель класса D можно приблизительно разделить на две части; высокие и низкие выходные мощности. Здесь диапазон малой мощности достигает от нескольких милливатт и далее (для цифровых дальномеров) примерно до 5 Вт, тогда как приложения большой мощности начинаются с 80–1400 Вт. что появится. Область малой мощности включает такие приложения, как, например, персональные стереосистемы, мобильные телефоны, аудиосистемы компьютеров и ноутбуки. Эти выходы подвижны, а батарея энергична, поэтому экономия энергии очень важна. И основным применением в классе D является производство количества звуковой мощности для конкретной низковольтной шины источника. Очень хорошим примером является национальный полупроводник LM4671, интегральная схема одноканального усилителя (IC), которая выдает около 2,1 Вт через динамик 4 Ом, начиная с шины питания 5 В, потребляя 300 кГц частоты переключения. И это слишком низкое напряжение из-за принципов прямого усилителя мощности, и требует структуры выхода Н-моста, о чем подробнее позже.

Применение усилителей мощности включает усилители мощности, системы домашнего кинотеатра и большие сабвуферы. Все они усилены от основного источника питания, поэтому мощность не имеет большого приоритета. Так как класс-D — это баловство, и будет потеря минимального источника питания и размера радиатора, что приведет к мини-и идеальному выходному продукту. В автомобильных аудиосистемах мы собираемся использовать мощные аудиосистемы, имеющие мощность более 1000 Вт или 2 Ом. Здесь мы придаем большое значение минимизации потребляемой мощности, обеспечивая возможность 12 В, когда двигатель является приводом к генератору переменного тока. Принимая во внимание, что в этих двух областях существует золотая середина, когда усилитель питается от основного источника питания, мы не можем найти такой хороший и правильный выход — давайте предположим, что выход стерео рассеивает 30 Вт с 8 Ом на канал. Здесь вы можете наблюдать небольшие радиаторы, чтобы продукт существовал в нашем бюджете, удаляя ios, не являющуюся нашей основной темой.

История усилителя класса D

Говоря о технологии, можно подумать, что это история усилителя класса D. В 1950 году этот принцип широко обсуждается, поскольку комбинация мощных выходных трансформаторов и высоких частот переключения не была слишком заманчивой. Sinclair X10 в Великобритании является первым усилителем класса D, обеспечивающим выходную мощность 10 Вт благодаря элементарному выходному фильтру, за которым следует коэффициент нелинейных искажений 5%, который очень хорошо показал себя при низкой частоте переключения, сопровождаемой нагрузкой. В то время распространенная и серьезная проблема заключалась в том, что мощность биполярных транзисторов была плохой, чтобы переключать частоту, когда это необходимо, что является серьезным недостатком в классе D, создавая слишком много искажений с временем переключения, а не мощные полевые транзисторы с тех пор класс D имеет стать много пропозициональным.

Основные принципы

По сравнению с классами AB и G класс D немного отличается. В линейном режиме в классе D отсутствуют устройства вывода. Они используются для включения и выключения на ультразвуковой частоте. К каждой шине питания подключен выход, когда предел входного сигнала изменяется, мы можем наблюдать изменение выходного напряжения, также из-за выходного фильтра нижних частот или индуктивности громкоговорителя, мы будем выполнять усреднение, здесь мы должны напомнить, что выходное напряжение прямо пропорционально напряжению питания, имеющему нулевой отказ от питания на выходном каскаде, где, как и в выходном каскаде класса B, мы можем найти отрицательную обратную связь в диапазоне частот переключения от 50 кГц до 1 МГц. Высокая частота делает вывод минимальным и менее сложным, но приводит к потерям переключения и искажениям. Используя дифференциальный усилитель, мы можем генерировать управляющий сигнал старым методом. Один вход принимается входящим аудиосигналом, а другой — треугольной формой волны в определенное время и на определенных частотах. (Худ, 1997)

Рисунок 4: Базовая блок-схема усилителя звука класса D

Базовый усилитель класса D показан на рисунке выше, а процесс ШИМ показан на рисунке ниже

Рисунок 5: Выход Форма волны от усилителя звука класса D

Очевидно, что для устранения искажений используется линейная треугольная волна. Мы можем использовать и другие способы, такие как сигма-дельта модулятор. Наша цель состоит в том, чтобы генерировать большое количество звуковой мощности при низком напряжении питания, таком как 5 В, с интеграцией конфигурации H-Bridge, которая позволяет дважды колебать напряжение на нагрузке и в четыре раза больше мощности, что теоретически позволяет усилителю отключаться без выходных конденсаторов. питающая рейка. Этот процесс известен как большая связанная нагрузка (BTL). (Сингмин, 2000).

МОП-транзистор

МОП-транзистор означает полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника, имеет очень большой входной сигнал при сопротивлении затвора за счет тока, протекающего через канал между истоком, а затем стоком, который хорошо упорядочен от напряжения на затворе. Из-за этого очень большого входного импеданса, а также коэффициента усиления МОП-транзисторы могут быть легко повреждены статическим электричеством, если они не защищены должным образом. Полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника идеально подходит для нестандартных электронных переключателей, а также для усилителей с общим истоком, поскольку потребляемая мощность слишком мала. Очень типичные области применения металлооксидно-полупроводниковых полевых транзисторов в запоминающих устройствах, микропроцессорах, логических КМОП-элементах, калькуляторах и т. д.

Кроме того, на приведенном ниже плакате с базовой диаграммой пунктирная линия внутри символа указывает на то, что в целом представление вида расширения «ВЫКЛ» означает, что ток «НЕТ» может течь по каналу после того, как напряжение затвор-исток (VGS) равно нулю. применяемый. Здесь непрерывная непрерывная линия внутри метки указывает на очень обычное состояние «ВКЛ» дисплея типа истощения, при котором конкретный ток «CAN» течет по каналу также с нулевым напряжением затвора. Для p-канального вида символы стоят точно так же для обеих форм, за исключением тем стрелок, направленных наружу. Это также можно обобщить в приведенной ниже таблице коммутации.

МОП-транзистор типа В GS  = +ve В ГС = 0 В GS  = -ve
Истощение N-канала НА НА ВЫКЛ
Расширение N-канала НА ВЫКЛ ВЫКЛ
Истощение P-канала ВЫКЛ НА НА
Расширение P-канала ВЫКЛ ВЫКЛ НА

Здесь МОП-транзисторы n-типа с улучшенным типом, и положительное напряжение на затворе «ВКЛ» транзистора, а затем при нулевом напряжении на затворе транзистор отключится. И усиление P-канала MOSFET, напряжение затвора -Ve включает «ВКЛ» в транзисторе, а также нулевым напряжением затвора, здесь состояние транзистора будет «ВЫКЛ». Точка напряжения, из которой начальная точка MOSFET для пропуска тока по каналу, остается определенной через пороговое напряжение VTH для устройства.

Полевые транзисторы

До сих пор мы использовали транзисторы в качестве усилительных устройств, в твердотельном переключателе в областях насыщения и отсечки мы использовали работу транзистора, а для включения и выключения постоянного тока мы использовали полевые транзисторы, такие как Светодиоды, которые потребляют немного тока в миллиамперах

Базовая конструкция МОП-транзистора и обозначение

Здесь по сравнению с полевым транзистором металл-оксид-полупроводник полевой транзистор совсем другой. Электрические поля, создаваемые при напряжениях на уровне затвора, использовались МОП-транзисторами, электроны n-канала и дырки p-канала всегда изменялись потоком носителей заряда под напряжением затвора через сток в очень тонком изолирующем слое поверх электрода затвора. а под электродами стока и истока находилась пара небольших n областей

Ранее мы наблюдали, что JFET смещен в обратном направлении, чтобы создать p-n-переход с помощью устройства MOSFET с изолированным переходом, имеющего положительную или отрицательную полярность. (Malvino & Bates, 2007)

Делая это, наши электронные переключатели MOSFET без какого-либо смещения и непроводящие устройства с получением напряжения тока с очень небольшим количеством, P-канальные и n-канальные MOSFET существуют в двух основных формах ( S.W.AMOS, 1959)

Операционный усилитель

Это устройство, которое включает в себя все операции для усиления и чаще всего используется для обработки сигналов, фильтрации и выполнения операций, связанных с математикой, таких как сложение, вычитание, интегрирование, а также дифференцирование. Это устройство усиления напряжения, имеющее резисторы и конденсаторы в качестве компонентов обратной связи между их входом и выходом, которые в основном используются при работе усилителя с различными конфигурациями и выполняют широкий спектр операций. Как правило, это трехполюсное устройство, содержащее входы с очень высокой импедансностью, которые представляют собой инвертирующие и неинвертирующие входы, за которыми следуют отрицательные и положительные знаки. (Хуэйсинг, 2011) 9Рис. 7: Базовый операционный усилитель В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала, и в зависимости от характера этих входных и выходных сигналов может быть четыре различных классификации операционных коэффициент усиления усилителя.

Третий терминал — это выходной порт, который используется как в качестве источника, так и в качестве стока, например, напряжения или тока. Выходной сигнал представляет собой не что иное, как коэффициент усиления в усилителях, известный как усиление, когда входной сигнал умножается на входное значение в зависимости от этих входов и выходов. Существует четыре усилителя. (Нельсон, 19 лет95)

  • Ток = Ток ВХОДА и Ток ВЫХОДА
  • Транспроводимость = Входное напряжение и выходной ток
  • Переходное сопротивление = Ток ВХОДА и напряжение ВЫХОДА
  • Напряжение = ВХОДНОЕ и ВЫХОДНОЕ напряжение

Сигнал выходного напряжения операционного усилителя представляет собой разницу между сигналами, подаваемыми на два его отдельных входа. Ясно говоря, что сигнал усилителя представляет собой разницу между двумя входными сигналами в каскаде идентификатора усилителя сигнала и формата мостового выпрямителя, и использование усилителя класса D не приведет к значительной экономии средств. В этом усилителе модификации и основные элементы не были оправданы в этой области для использования. Как правило, класс D существует в виде одной микросхемы с разными выходными каскадами, внутри схемы может быть сложность, и ее нельзя обсуждать вкратце, так как планирование и разработка усилителей класса D были не такими уж эффективными. (Багг, 19 лет91)

Выходные фильтры

Для удаления излучения, возникающего на частотах переключения для усилителей, мы используем выходной фильтр для повышения эффективности кабелей внешних динамиков. Чтобы позволить некоторой энергии частоты переключения от индуктивности громкоговорителя и, наконец, перейти на землю, что приведет к потерям, поскольку некоторые приложения встроенной малой мощности не содержат выходные фильтры. Как правило, максимальные фильтры класса D содержат LC-фильтр второго порядка в середине громкоговорителя и усилителя. Для лучшего выхода мы выбираем частоту с максимальной ровностью, особенно когда мы используем низкий импеданс и отдельные громкоговорители. Усилитель класса D спроектирован таким образом, исходя из правдоподобных предположений, что требуются типичные значения индуктивности в 10 мкГн-50 мкГн, что слишком много больше, чем 1 мкГн- Катушки с воздушным сердечником 2 мкГн для обеспечения стабильности при требуемых нагрузках в усилителе класса B. Поэтому в обязательном порядке мы используем индукторы с ферритовым сердечником, и необходимо соблюдать надлежащую осторожность в максимальной точке, чтобы исключить насыщение. (Темес и Митра, 19 лет73)

Зачем нужен фильтр в усилителях класса D

Выходной сигнал усилителя класса D представляет собой обменный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) через рабочий цикл, который модулируется звуковым сигналом. И результат содержит выбранные частоты полосы звукового диапазона и более высокие частоты, связанные с широтно-импульсной модуляцией или частотой преобразования. Усилителям класса D обычно требуется пропустить сигнал этого типа через фильтр нижних частот для цитирования аудиоконтента. Здесь фильтр нижних частот обычно состоит из последовательной катушки индуктивности и конденсатора, соединенного с землей. В усилителях класса D положительный (OUT+) и отрицательный (OUT–) оба выхода постоянно сдвинуты по фазе на 50 % рабочего цикла при подаче нулевого входа. В результате полное напряжение на выходе постоянно подается на нагрузку, что приводит к относительно очень высокому току и большому рассеиванию мощности на нагрузке без использования фильтра. И КПД усилителя класса D тоже снижается без всякого фильтра, а также случайным образом увеличивается ток покоя. Импеданс громкоговорителя также включает индуктивность, однако в основном он является резистивным, тогда как LC-фильтр практически полностью чувствителен. И LC-фильтр через частоту среза не так сильно, как частота переключения класса D, позволяет току переключения протекать и фильтроваться вместо нагрузки. Фильтр имеет меньшее сопротивление по сравнению с динамиком, за счет чего уменьшается рассеиваемая мощность и повышается эффективность. (Божич и Шанс, 19 лет98)

В усилителях класса D обычно используется фильтр нижних частот для ослабления определенного переключения шума в форме выходного сигнала при пропускании аудиосигнала к громкоговорителю. В усилителе класса D используется фильтр нижних частот L-C. фильтр. Частота среза в фильтре, выбранном из-за этого фильтра, может оказывать минимальное влияние на желаемый выход частотного диапазона, но максимально ослабляя коммутационные шумы.

Рис. 8. Базовый усилитель класса D Фильтр нижних частот

Коммутируемый ШИМ-сигнал, содержащий рабочий сигнал, который был промодулирован звуковым сигналом, является выходным сигналом усилителя класса D, относящимся к ШИМ, он включает более высокие частоты и полосы частот. В обычном усилителе класса D обязательно, чтобы сигнал проходил через фильтр нижних частот для получения желаемого аудиоконтента. В фильтре нижних частот конденсатор и фильтр подключены последовательно, а затем к земле, положительный и отрицательный выходы всегда не совпадают по фазе, за которыми следует 50% рабочий цикл, даже при нулевом входе. Таким образом, в любое время мы можем подавать выходное напряжение с полной нагрузкой, что всегда приводит к созданию высокого напряжения и тока без использования какого-либо фильтра, без фильтра мы можем снизить эффективность и увеличить ток покоя, и, очевидно, индуктивность будет присутствовать на импедансе динамика в целом. он резистивный, а LC-фильтр полностью реактивный. Как правило, LC-фильтр с частотой среза, имеющей небольшую величину по сравнению с частотой переключения класса D, позволяет пропускать ток переключения через фильтр вместо нагрузки, поскольку по сравнению с фильтром громкоговорителя имеет очень низкое сопротивление, что снижает рассеиваемую мощность и увеличивает частоту. Для ослабления шума переключения на уровне формы выходного сигнала при обработке аудиосигнала в сторону громкоговорителя в усилителях класса D используется фильтр нижних частот, но, как мне кажется, для расчета и выполнения различных компонентов в классе D так много инженеров не знают точно процесс. Поскольку фильтр нижних частот LC является сердцем усилителя класса D. Чтобы получить минимальное влияние на желаемую выходную частоту, обычно мы выбираем фильтр с частотой среза. На рисунке ниже показано меньшее затухание и низкий уровень шума при переключении. (Темес и Митра, Теория и проектирование современных фильтров, стр. 19).73)

Фильтр нижних частот

Оптимальное значение для фильтра индуктивности

L равно RL/2πfc

Здесь fc= угловая частота в фильтре

RL означает сопротивление нагрузки меняет

Здесь нам нужно рассчитать как емкость, так и индуктивность независимо. Для этого сначала нужно найти подходящее значение индуктивности и выбрать ближайшее значение. Тогда лучше рассчитать значение емкости, используя значение индуктора.

Емкость (C) = 1/ ((2πfc) 2 • L)

Здесь добротность (Q) в фильтре представляет собой отношение в центре частоты в полосе пропускания фильтра.

Q (коэффициент добротности) = RL√(C/2L)

Высокое и низкое значение Q приводит к заниженным и избыточным демпфированным кривым. Диапазон фильтра должен быть в пределах 0,6 > Q > 0,8, чтобы избежать недостаточно демпфированного поведения, где уравнения объясняют около 0,7, что обеспечивает хорошие характеристики и позволяет изменять импеданс громкоговорителей, здесь Q — изменение фильтра, если импеданс громкоговорителя изменяется без регулировки значения компонентов фильтра, что приводит к завышенным и заниженным результатам.

Выбор компонентов

Мы не можем получить точный выходной сигнал, выбрав точный LC-фильтр, но для выбора конкретных подходящих компонентов для усилителя класса D, чтобы устранить потери и искажения на уровнях гармоник, постоянный ток катушки индуктивности должен быть больше или равен до максимального выходного тока разница не должна превышать между индуктивностью и током нагрузки. Мы даже можем найти потери на гистерезис в зависимости от материала сердечника. Поэтому конденсатор всегда должен быть изготовлен из многослойного полиэстера, поликарбоната или даже полипропиленовой пленки. В фильтре нижних частот лучше избегать керамических конденсаторов, тогда как в керамических конденсаторах происходит большое изменение напряжения, что в конечном итоге вызывает искажения.

Сравнение топологии — линейный и усилитель класса D

Здесь мы обсуждаем различия усилителей класса D и других усилителей. Первое основное отличие — эффективность. Именно по этой причине были разработаны усилители класса D, другие усилители были очень хороши с точки зрения производительности, но имели половину неэффективной скорости, тогда как усилитель класса D намного более эффективен со значениями, разработанными в практических проектах.

Здесь мы можем ясно увидеть разницу между классом D и другими усилителями. Эффективность — это первое и главное отличие, которое породило усилители класса D. С точки зрения производительности все они очень линейны, имея половину неэффективности при эффективности по сравнению с усилителем класса D. Вы можете найти ниже кривые, имеющие разницу во всех терминах.

Рис. 9. Сравнение топологии — линейная и класс D

Усиление = Здесь усиление постоянно при различных уровнях напряжения при напряжении на шине, но усиление усилителя класса D пропорционально напряжению на шине. Это не что иное, как коэффициент отклонения источника питания, очень низкий и линейный, это связано с тем, что они используют колебания напряжения на шине обратной связи, энергия всегда будет направлена ​​в сторону нагрузки от источника питания в полномостовом режиме и имеет два или более направленных потока в полумостовом перекачивании на шину. критерии, которые помогают заряжать конденсаторы автобуса.

Во-первых, полевые транзисторы имеют ненулевое сопротивление, даже когда они сильно включены. Обычно это значение находится в диапазоне от 100 до 200 мОм и может удваиваться при увеличении температуры устройства от 0 до 150°C, причем последняя является обычной максимальной рабочей температурой. Это сопротивление вызывает потери I

I2R. Во-вторых, выходные устройства имеют ненулевое время включения и выключения. В период, когда полевой транзистор включается или выключается, он имеет промежуточное значение сопротивления, что снова вызывает потери I

I2R. Важно свести к минимуму паразитную индуктивность в цепях стока и истока, так как это не только увеличивает время переключения, но и вызывает переходные процессы напряжения при выключении, которые могут перегрузить транзистор. В-третьих, импульсы обратного хода, генерируемые индуктивной нагрузкой, могут привести к тому, что проводимость паразитных диодов будет иметь относительно длительное время обратного восстановления, и будет протекать больший ток, чем необходимо. Чтобы предотвратить это, во многих конструкциях класса D между выходной линией и шинами питания подключены фиксирующие диоды Шоттки. Они включаются при более низком напряжении, чем паразитные полевые диоды, и работают с импульсами обратного хода. У них также гораздо более быстрое время восстановления.

Последнее и, пожалуй, самое опасное явление, известное как «прострел». Этот несколько непрозрачный термин относится к ситуации, когда один полевой транзистор не перестал проводить до того, как запустится другой. Это приводит к почти прямому короткому замыканию между шиной питания, хотя и очень кратковременному, по схеме «мертвого времени». Введение мертвого времени увеличивает искажения, поэтому применяется только минимум; задержка в 40 нс достаточна, чтобы создать более 2% THD в синусоиде 1 кГц IR теряет и содержит ненулевые значения при переключении точек. Таким образом, совершенно необходимо избежать этих потерь на стоке и истоке, а также генерации обратных импульсов с длительным обратным временем восстановления при проводимости, которая требует большего тока. Чтобы устранить эти проблемы, усилители класса D содержат фиксирующие диоды Шоттки, установленные между выходной линией и шинами питания. Таким образом, из-за этого низкого напряжения генерируется, когда существуют импульсы обратного хода, а также более быстрое время восстановления очень разумно. Это явление известно как Shoot-Through, которое довольно опасно, в этом случае мы должны остановить один полевой транзистор, в то время как другой запустится, иначе произойдет короткое замыкание, оставив цепь мертвой, что увеличивает искажения и может быть применен минимальный вход, производящий синусоиду 1 кГц

Преимущество усилителя класса D

  • Мгновенное питание до выходного тока
  • Лучшая реализация по сравнению с другими усилителями
  •  Большое рассеивание мощности даже в большинстве линейных выходных каскадов
  • Производит меньше тепла, меньше места и затрат благодаря меньшему рассеиванию мощности
  • Продлевает срок службы батареи. (Худ Дж. Л., 1999)

Методология

Диссертация посвящена проектированию, моделированию и изготовлению цифрового усилителя звука с использованием электронных дискретных компонентов. И в первую очередь необходимо разработать подходящую принципиальную схему для выполнения требований. Затем необходимо спроектировать эту схему на одном из инструментов электронного тестирования типа Multisim, позже необходимо проверить рабочий выход, используя опцию моделирования в Multisim, если есть какая-либо ошибка подключения, тогда необходимо изменить и подключить правильно, а также лучше проверить после подключения правильно лучше посмотреть на панели инструментов осциллографа вывод, который попадает на экран, в правильном направлении, что означает выполнение требований диссертации или нет необходимости снова менять соединения, а также значения компонентов, которые использовались в проектирование схемы на Multisim и после получения надлежащего вывода путем запуска в программном обеспечении Multisim, необходимо преобразовать ту же схему на макет для экономии денег, если у них есть изменения, которые необходимо внести до печати печатной платы, потому что некоторое время несколько схем будут отображаться правильно вывод для компонентов, которые используются в Multisim, но из-за некоторых компонентов или компонентов компании не будут давать тот же результат, что и показанный в t осциллограф в мультисим.

Для экономии времени и денег лучше производить схему на макетной плате, если макетная плата также работает так же, как и Multisim, то лучше перейти на печатную плату, если нет необходимости изменять значения компонентов или компоненты, которые подходят на основе о целях и приложениях проекта.

Компоненты, необходимые для проектирования этого цифрового аудиоусилителя класса D, как указано ниже.

Функциональный генератор

Операционный усилитель (LM318D)

Источник напряжения постоянного тока (12V)

Источник напряжения постоянного тока (15 В)

MOSFET N -канал (NTE4153NT1G)

MOSFET P -канал (NTE4151PT1G)

для выполнения Filter Filter

Capacitor для выполнения второго порядка

. на этапе симуляции нужен резистор)

В аппаратном исполнении нужен динамик

А так же нужны соединительные провода в макетном исполнении этап

Процессор: после рисования подходящей схемы нужно нарисовать и выполнить в Multisim для перехода к все приложения на лабораторных компьютерах и нажмите на конкретные факультеты и выберите национальные инструменты. В национальных инструментах перейдите в комплект схемотехники 14.0 и выберите вариант версии Multisim 14.0. С этого момента необходимо спроектировать требуемую схему, сначала необходимо выбрать необходимые компоненты для схемы, которые доступны в командах. Для этой схемы сначала нужен вход аудиосигнала, для этого необходимо выбрать генератор синусоидального сигнала из источника, выбрать POWER AC и поместить на плату, которая отображается в Multisim, а затем поместить генератор треугольных волн, также эти две волны необходимо подключить к операционному усилителю. . Для размещения операционного усилителя перейдите в раздел «Аналог», а затем выберите подходящий операционный усилитель для удовлетворения требований, которым является LM318D, и перетащите этот компонент на макетную плату. Здесь необходимо подключить генератор синусоидального сигнала к контакту 3, а генератор треугольных сигналов к контакту 2. Контакты Vcc и Vee 7 и 4 соответственно. Этим двум необходимо подключить один к источнику напряжения +Ve, а другой к источнику напряжения –Ve. Здесь для проверки мгновенного выхода, пришедшего с обоих входов, и усиленного сигнала в операционном усилителе можно посмотреть, если подключить осциллограф рядом с выходным контактом операционного усилителя. После подключения осциллографа нажмите кнопку симуляции, которая доступна в верхней части конструкции, и наблюдайте за выходом, который должен быть в режиме широтно-импульсной модуляции, в противном случае необходимо вернуться и проверить соединения входов и значений в генераторе синусоидального и треугольного сигналов.

После получения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнал перейдет в стадию переключения. Для проектирования коммутационного каскада здесь нужны два MOSFET. Один должен принадлежать каналу N, а другой должен быть каналу P. После проверки нескольких транзисторов NTE4153NT1G и NTE4151PT1G эти два оказались подходящими для требуемого применения. Для размещения этих двух МОП-транзисторов поместите команду транзистора и выберите эти два МОП-транзистора оттуда и поместите рядом с операционным усилителем. Выходной сигнал операционного усилителя напрямую подключен к этим двум полевым МОП-транзисторам, здесь также требуется источник напряжения, который составляет около +15Ве и -15Ве соответственно. Для проверки коммутационного выхода коммутационного каскада лучше подключить осциллограф рядом с коммутационным каскадом и перед ФНЧ. Если сигнал здесь успешно переключен, переходите к этапу фильтрации, в противном случае необходимо снова проверить соединения и компоненты на этапе переключения. При фильтрации необходимо выбрать правильные значения, подходящие для данной схемы и значения входного сигнала. Обычно аудиоусилителям класса D требуется фильтр нижних частот второго порядка, чтобы избежать шума от каскада переключения, причина выбора фильтра нижних частот второго порядка зависит от входного сигнала и частоты среза. Здесь необходимо соединить последовательное соединение частей RLC с соответствующими значениями, которые рассчитаны ниже, и снова смоделировать всю схему, подключив осциллограф, и наблюдать за окончательным выходным сигналом в самом конце осциллографа. Исходя из требований и структуры схемы, здесь необходимо получить синусоиду с небольшим шумообразованием, которое создается практически звуками природы или общими звуками. Но в моделировании для получения этого шума мы можем подключить дополнительный входной сигнал прямо перед операционным усилителем и рядом с синусоидой или с синусоидой. После успешного выполнения в Multisim пришло время протестировать ту же схему на макетной плате, прежде чем переходить к печатной плате (PCB). И здесь также нужно подключить то же соединение, что и по схеме, но здесь нужно дать генератор синусоиды и генератор треугольных волн физически, которые доступны в электронной лаборатории от функционального генератора. А также в месте нагрузки нужно подключить динамик для прослушивания вывода. В месте входа мы можем поставить микрофон для подачи входного сигнала с частотой менее 20 кГц, что является максимальным звуковым сигналом, который можно услышать. И, наконец, необходимо запустить сигнал на основе входных сигналов и наблюдать за выходом на внешнем подключенном осциллографе схемы. После успешного завершения моделирования макета необходимо распечатать на печатной плате.

Моделирование

Первый этап моделирования для проектирования схемы, здесь проектирование схемы шаг за шагом. И на первом этапе необходимо получить широтно-импульсную модуляцию и схему для этого, как показано ниже.

Рисунок 10: Принципиальная схема для волны ШИМ

Здесь, на приведенной выше принципиальной схеме, синусоидальный аудиовход с частотой 1 кГц указан как один из входов операционного усилителя и сигнал генератора треугольной волны с частотой 50 кГц, а также источник напряжения подключил и Vcc и Vee соответственно.

Значение частоты аудиосигнала и треугольного сигнала, как показано на скриншотах ниже.

Рис. вышеприведенная схема. А вот удачная форма волны широтно-импульсной модуляции для усилителя звука класса D.

Рисунок 12: Сигнал широтно-импульсной модуляции от операционного усилителя

И после получения широтно-импульсной модуляции перейдите к этапу переключения схемы, здесь сигнал должен переключать сигнал для условий ВЫКЛ и ВКЛ. И схема, разработанная для этого, как показано ниже,

Рисунок 13: Переключающий каскад усилителя звука класса D

Рисунок 14: Выходной сигнал каскада переключения

И тогда для очистки сигнала от шума здесь необходимо использовать фильтр нижних частот второго порядка и конструкцию фильтра, как показано ниже.

LC = 12πFC

20K = 12 × 3,14LC

LC = 1 (2 × 3,14 × 20K) 2

LC = 63,32 × 10-12

C = 1 мкф

L = 63,32μH

и The 1 мкм

L = 63,32 Они

и The 1 мкм

L = 63,32 Они конструкция фильтра этой схемы, как показано на скриншоте ниже в последний раз и нажмите на осциллограф, вывод должен быть таким, как показано на скриншоте ниже,

Рисунок 16: Выходной аудиосигнал

Заключение и область применения

Конструкция, моделирование и изготовление аудиоусилителя класса D частично соответствуют широтно-импульсной модуляции, формирующей и коммутирующему сигналу в каскаде переключения и понижающему уровень второго порядка. -пассовый фильтр также разработан в этой диссертации. Если выполнить на макетной плате и печатной плате, то есть шанс получить КПД более 90%, а также можно получить менее шумный сигнал на конечном выходе. Из-за нехватки времени и позднего начала написания диссертации я не могу завершить практическую работу, имею возможность выполнить практическую работу, но не имею точных компонентов, которые я использовал при проектировании схемы в Multisim.

Ссылки

Bozic, S.M., & Chance, R.J. (1998). Цифровые фильтры и обработка сигналов в электронной технике: теория, приложения, архитектура, код. Чичестер: Horwood Publishing,.

Багг, Д. В. (1991). Электроника: схемы, усилители и вентили.

Дункан, Б. (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука: для исполнения и воспроизведения музыки. Бостон: Ньюнес.

Худ, Дж. Л. (1997). Ламповые и транзисторные усилители звука.

Худ, Дж. Л. (1999). Аудиоэлектроника. Оксфорд: Newnes.

Huijsing, JH (2011). Операционные усилители: теория и конструкция. (2-е изд.). ЛОНДОН: спрингер.

Мальвино, А.П., и Бейтс, Д.Дж. (2007). Электронные принципы (7-е изд.). ЛОНДОН: Высшее образование McGraw-Hill,.

Нельсон, Дж. К. (1995). Схемы операционного усилителя: анализ и проектирование. Бостон: Баттерворт-Хайнеманн.

С.В.АМОС. (1959). Принципы транзисторных схем (восьмое изд.). Оксфорд, Соединенное Королевство: SWAmos.

Селф, Д. (2006). Справочник по проектированию аудиоусилителя мощности. Джордан Хилл: Дуглас Селф.

Селф, Д. (2009). Справочник , Конструкция усилителя мощности звука (5-е изд.). Джордан Хилл, Соединенное Королевство: Elsevier Ltd.

Сингмин, А. (2000). Практические схемы аудиоусилителей.

Слоун, Г. Р. (1999). Руководство по сборке мощного аудиоусилителя: от 50 до 500 Вт для аудио-перфекциониста. 906:26 Нью-Йорк: McGraw-Hill,.

Темес, Г. К., и Митра, С.К. (1973). Теория и дизайн современных фильтров.

Темес, Г.К., и Митра, С.К. (1973). Теория и проектирование современных фильтров. Лондон: Wiley-Interscience.

Уоткинсон, Дж. (2001). Искусство цифрового звука. (3-е изд.). Оксфорд: Focal Press.

Поделись этим: Фейсбук Логотип Facebook Твиттер Логотип Твиттера Реддит Логотип Reddit LinkedIn Логотип LinkedIn WhatsApp Логотип WhatsApp

Я сделал свой собственный усилитель класса D

Я здесь со своим собственным усилителем класса D, как и было обещано в прошлых статьях. Потому что усилители класса D широко используются в звуковом оборудовании. Итак, я попытался спроектировать себя, чтобы понять принцип работы и классификацию интегральных схем, используемых в классе D. Как упоминалось в предыдущей статье, я использую совместимый с макетом экран ИС, чтобы попробовать различные компоненты. У меня есть микросхема серии TPA3118, которая может выдавать максимум 60 Вт в мостовом режиме. Вы также можете использовать это в стереорежиме для вывода 30 Вт на канал. Здесь я делюсь таблицей данных с вами.

Детали

Я здесь со своим собственным усилителем класса D, как и было обещано в прошлых статьях. Потому что усилители класса D широко используются в звуковом оборудовании. Итак, я попытался спроектировать себя, чтобы понять принцип работы и классификацию интегральных схем, используемых в классе D. Как упоминалось в предыдущей статье, я использую совместимый с макетом экран ИС, чтобы попробовать различные компоненты. У меня есть микросхема серии TPA3118, которая может выдавать максимум 60 Вт в мостовом режиме. Вы также можете использовать это в стереорежиме для вывода 30 Вт на канал. Здесь я делюсь таблицей данных с вами.

TPA3118D2 и семейство:

Серия TPA31xxD2 представляет собой эффективный стереофонический цифровой усилитель мощности для динамиков мощностью до 100 Вт / 2 Ом в монофоническом режиме. Высокая эффективность TPA3130D2 позволяет ему обходиться без внешнего радиатора мощностью 2 × 15 Вт на однослойной печатной плате. TPA3118D2 может даже работать с мощностью 2 × 30 Вт / 8 Ом без радиатора на двухслойной печатной плате. Если требуется еще более высокая мощность, TPA3116D2 обеспечивает 2 × 50 Вт / 4 Ом с небольшим радиатором, прикрепленным к верхней панели Power PAD. Все три устройства имеют одинаковую площадь основания, что позволяет использовать одну печатную плату при разных уровнях мощности.

Характеристики

  • 2 × 30 Вт на нагрузку BTL 8 Ом при 24 В (TPA3118D2)
  • Широкий диапазон напряжения: от 4,5 В до 26 В
  • Эффективная работа класса D
  • Программируемый предел мощности
  • Дифференциальные и несимметричные входы
  • Стерео и монофонический режим с монофонической конфигурацией с одним фильтром
  • Один блок питания снижает количество компонентов
  • Встроенные схемы самозащиты, включая перенапряжение, пониженное напряжение, перегрев, обнаружение постоянного тока и короткое замыкание с отчетом об ошибках
  • Диапазон температур окружающей среды от –40°C до 85°C

Требуется компоненты:

1) 100K и 20K резисторов

2) 1UF, 220NF, 100NF, 10NF, 1NF Ceramic OR Polyester Plif Compacitors

3) 1000UF, 47UF Electrolytic Capacitor

4) 100HHHF, 47UF Electrolytic Capacitor

4) 100HHHF, 47UF Electrolytic Capacitor

4) 100HH-HH, 47UF Electrolytic Capacitor

4) 100H-HH, 47UF Electrolytic

4). Катушки индуктивности

5) 24 В SMPS @ 5 ампер

6) Динамики 50-100 Вт

7) Специальная печатная плата (JLCPCB)

8) Предусилитель (дополнительно)

Используемая цепь:

Попробовав множество схем и проверив качество звука, шум, хлопки и кривую отклика усилителя на усиление. Я разработал эту схему в EasyEDA. Поскольку эта микросхема может работать как в стерео, так и в моноканале, я разработал две совместимые схемы.

Который затем можно преобразовать в печатную плату (2 конструкции на одной плате, что снижает стоимость сборки и общей печатной платы. Я всегда использую JLCPCB для своих проектов, потому что они обеспечивают стандартную сборку печатных плат, производство и многое другое по очень низкой цене. , Зарегистрируйтесь, используя эту ссылку, и получите новые пользовательские купоны на $ 54. Оформите заказ на JLCPCB прямо сейчас и попробуйте лучший опыт PCBA.0005

Схема макетной платы:

Схема макетной платы разработана в соответствии со схемой, показанной выше. Я использую только 1 канал с максимальной выходной мощностью 30 Вт. Который используется для управления только одним динамиком. Вся схема питается от 12 В @ 2 ампера.

Катушка (установка LC-фильтра):

В схеме рекомендуемое значение индуктора 10 мкГн. Но мы можем использовать катушку индуктивности от 100 мкГн до 330 мкГн в сочетании с конденсатором от 220 нФ до 1 мкФ для лучшей частотной характеристики LC-фильтра. Это уменьшит общий шум и даст стабильный сигнал на динамик для настройки соответственно на низкие, средние и высокие частоты.

Радиатор в сборе:

Поскольку мы тестируем этот усилитель в «сырых» условиях с регулируемым блоком питания и резисторами усиления. Радиатор для этого обязателен, ИС может выделять тепло в условиях низкого сопротивления нагрузки. Этот 3118d2 может выдавать максимум 60 Вт или 30 Вт на канал без радиатора.

Источник питания:

Работа усилителей класса D обсуждалась в предыдущей статье, вы можете увидеть это здесь. Потому что мы используем LC-фильтр, чтобы преобразовать квадратный ШИМ в звуковой сигнал. Вот почему для этих усилителей класса D рекомендуется использовать блок питания с фильтром. Либо мы можем использовать SMPS или источник постоянного тока с высокой фильтрацией для входной мощности.

JLCPCB Собранная печатная плата:

У меня здесь, в ИНДИИ, интегральные схемы класса D отдельно не продаются. Если я хочу играть с классом d, то мне нужно купить полный усилитель….

Подробнее »

Посмотреть все детали

Нравится этот проект?

Делиться

Как выглядят усилители мощности класса D NE5532 и LM311

I Описание

Класс D   Усилители мощности часто используются для воспроизведения музыки различных электронных устройств в повседневной жизни. Усилитель мощности класса D в этом блоге использует операционный усилитель NE5532 и LM311 для формирования автоколебаний для генерации несущей волны 150 кГц и модуляции входного низкочастотного сигнала в импульс постоянной амплитуды. Затем усилитель мощности толкает движущуюся трубку. Наконец, низкочастотный сигнал отделяется фильтрацией.

Рисунок 1. Усилитель мощности класса D

Каталог

I Описание

II. Как выбрать Amplifier 9000

.
. . . . . . . . .
.
.
.
.
.
. . .
7. .

IV Принципиальная блок-схема

V Принцип работы

5.1 Выбор канала и принцип отображения

5.2 Схема генерации несущей

5.3 Comparator Circuit

5.4 Drive Circuit and Power Amplifier Circuit

5. 5 Low-pass Filter

VI Conclusion

FAQ

Ordering & Quantity

II Как выбрать усилитель

Традиционные усилители мощности в основном делятся на следующие три категории:

  • Класс А   усилители мощности . ;
  • Класс AB   усилители мощности   ;
  • Класс B   усилители мощности

Усилители мощности класса А в основном усиливают слабые сигналы и требуют установки напряжения смещения для стабилизации цепи, поэтому эффективность низкая.

Усилители мощности класса B не полагаются на напряжение смещения для усиления, а используют принцип, согласно которому, когда входной сигнал превышает напряжение проводимости транзистора, транзистор включается для усиления. Поскольку входной сигнал делится на положительный и отрицательный, для его усиления необходимо использовать 2 триода. Потому что при входном сигнале меньше напряжения включения, то есть в диапазоне от -0,6В до 0,6В транзистор не может быть включен. Следовательно, входной сигнал не может быть усилен, и возникают искажения. Поэтому предлагается усилитель мощности класса AB.

Усилитель мощности класса AB , так как он напрямую усиливает аналоговый сигнал при работе, он требует, чтобы транзистор находился в состоянии линейного усиления. Следовательно, необходимо рассеивать слишком большое энергопотребление, что также имеет недостатки.

Усилитель мощности класса D преодолевает недостатки вышеупомянутого усилителя мощности класса A, усилителя мощности класса AB и усилителя мощности класса B . Он использует импульсные переключающие устройства высокого и низкого уровня для включения и выключения. Затем усиливаются напряжение и ток выходного сигнала, то есть усиливается мощность, поэтому потребляемая мощность очень мала.

III Принцип работы усилителя класса D

Сначала используйте автоколебание операционного усилителя для генерации высокочастотной несущей, а затем модулируйте входной низкочастотный аналоговый сигнал в высокочастотный сигнал через компаратор. Эта модулирующая волна представляет собой серию импульсных сигналов постоянной амплитуды, ширина которых модулируется, а частота изменяется в зависимости от амплитуды низкочастотного сигнала. Этот процесс также называется широтно-импульсной модуляцией или, для краткости, широтно-импульсной модуляцией.

Эта система обычно состоит из компаратора , входной сигнал представляет собой треугольную волну (несущая) и низкочастотный сигнал, и два сигнала сравниваются. Если низкочастотный сигнал больше, чем сигнал треугольной волны, компаратор выводит константу. Если меньше, выводится 0. Следовательно, выходной сигнал компаратора представляет собой серию модулированных широтно-импульсных модулированных волн. Выходная волна модуляции усиливается мощностью переключения и фильтруется для вывода низкочастотного сигнала.

IV Принципиальная блок-схема

Рисунок 2. Принципиальная блок-схема

V Принцип работы

5.1 Выбор канала и принцип отображения

Каналы можно разделить на 1 канал и 2 канала. В схеме выбора используется микросхема 74ls74, представляющая собой микросхему триггера D с двойным передним фронтом , имеющую всего 14 контактов. Поскольку входной сигнал представляет собой низкочастотный аналоговый аудиосигнал, в мультиплексоре этого блога используется микросхема 74HC4052.

Когда на выходной клемме D-триггера высокий уровень, цифровая трубка отображает 2. В то же время сигнал поступает на 10-й контакт 74HC4052. Клемма цифрового выбора микросхемы выбирает входной сигнал канала Y1 и выходной сигнал Y1, то есть выбирается канал 2.

Когда на выходе D-триггера низкий уровень, цифровая трубка отображает 1. В то же время сигнал поступает на 10-й контакт 74HC4052. Клемма цифрового выбора микросхемы выбирает входной сигнал канала Y0 и выходной сигнал Y0, то есть выбирается канал 1.

5.2 Цепь генерации несущей

Несущая, используемая в этом блоге, представляет собой треугольную волну с частотой 170 кГц.

Функция несущей заключается в модуляции входного аналогового низкочастотного сигнала в высокочастотный для формирования модулированной волны.

Схема использует операционный усилитель NE5532 и компаратор напряжения LM311 для формирования автоколебаний.

При настройке параметров схемы следует учитывать, что все микросхемы питаются от источника питания 5В, а операционный усилитель можно разделить резистором 10кОм, чтобы напряжение делилось на 2,5В. При этом требуется установить параметры так, чтобы амплитуда несущей на выходе была 3В.

5.3 Схема компаратора

В схеме, описанной в этой статье, используется микросхема LM311. Напряжение питания микросхемы 5В. Чтобы получить статический потенциал V+=V-=2,5 В, значение сопротивления 4 резисторов составляет 10 кОм.

Поскольку несущая Vp-p=3 В, Vp-p аудиосигнала должно быть 4 В или меньше. В противном случае это приведет к искажению. Эта часть используется в качестве схемы модулятора, а исходный входной аудиосигнал подается на 2-контактный положительный входной разъем операционного усилителя LM311 после выбора канала, усиления и смещения постоянного тока. Сгенерируйте треугольную несущую через схему автоколебаний и подайте ее на 3-контактный отрицательный вход компаратора LM311.

Когда напряжение на положительной клемме контакта 2 больше, чем напряжение на отрицательной клемме контакта 3, на выходе будет высокий уровень, в противном случае он будет низким. При отсутствии входного сигнала значение напряжения смещения постоянного тока составляет половину пикового значения треугольной волны. В это время выход компаратора представляет собой прямоугольную волну.

При наличии входного аудиосигнала и положительного полупериода время высокого уровня на выходе компаратора больше, чем время низкого уровня, а рабочий цикл прямоугольной волны больше половины;

В отрицательный полупериод напряжение на положительном входе компаратора больше нуля. Однако время, в течение которого амплитуда аудиосигнала превышает амплитуду треугольной волны, значительно сокращается, а рабочий цикл прямоугольной волны составляет менее половины. Таким образом, сигнал , выдаваемый компаратором , представляет собой сигнал, ширина импульса которого модулируется по амплитуде звуковым сигналом.

Таким образом, низкочастотная звуковая информация модулируется в импульсный сигнал. Форма сигнала показана на рис. 3.

Рис. 3. График формы волны модуляции

5.4 Схема управления и схема усилителя мощности

Схема управления использует полный мост IR2110. В схеме усилителя мощности используется усилитель мощности класса D, который представляет собой импульсно-управляемый сильноточный импульсный усилитель. Он превращает сигнал ШИМ, выдаваемый компаратором, в сигнал ШИМ высокого напряжения, силы тока и мощности.

5.5 Фильтр нижних частот

Для несущей 150 кГц используется LC-фильтр четвертого порядка. Функция состоит в том, чтобы отделить низкочастотный сигнал от сигнала ШИМ.

Принцип работы: Когда поступает импульс с коэффициентом заполнения более половины, время зарядки конденсатора больше, чем время разрядки, и уровень выходного сигнала повышается. При поступлении узкого импульса время разрядки конденсатора больше времени зарядки, а выходной уровень снижается, что совпадает с изменением амплитуды исходного звукового сигнала. Так что исходный звуковой сигнал разделен.

VI Заключение

Использование операционных усилителей NE5532 и LM311 для проектирования класс D   усилители мощности , Благодаря изготовлению печатных плат, пайке, отладке и реализации соответствующих функций качество звука улучшается. Так что это более практичный усилитель мощности класса D. Схемотехника и производство подходят для студентов, которые хорошо разбираются в аналоговой и цифровой электронике и имеют определенную конструкторскую базу. Этот эксперимент позволит им освоить электронные технологии.


Часто задаваемые вопросы

  • Что такое NE5532?

NE5532 — это сдвоенный малошумящий операционный усилитель в 8-контактном корпусе, который обычно используется в качестве усилителей в аудиосхемах из-за его помехоустойчивости и высокой выходной мощности. Операционный усилитель имеет внутреннюю компенсацию для высокого единичного усиления с максимальной полосой выходного колебания, низким уровнем искажений и высокой скоростью нарастания.

  • Как проверить микросхему NE5532 цифровым мультиметром?
  • Каков размер NE5532 производства Texas Instruments? Есть что сравнить?

Вы найдете все физические размеры в дюймах, а также в миллиметрах на странице 19 официального описания TI по ​​адресу:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne5532.pdf

  • Как пользоваться LM311?

LM311 — одноканальный компаратор. При его использовании подключите опорное напряжение и напряжение сравниваемого сигнала к его неинвертирующим и инвертирующим входным клеммам (контакты 2 и 3), а его выход будет результатом сравнения. Если вы хотите, чтобы выходной результат был направлен вперед, контакт 7 подключается к положительному источнику питания, а контакт 1 является выходом. Если результат должен быть выведен в обратном порядке, контакт 1 заземляется, а контакт 7 является выходом с открытым коллектором.

LM311 — компаратор с одним напряжением, LM393 — компаратор с двумя напряжениями. LM311 имеет ток нагрузки до 50МА и напряжение 40В. Он может управлять реле с минимальным напряжением питания 5В.

Ток нагрузки LM393 составляет 16 мА, а минимальное напряжение 2 В для одного источника питания.

Их функции одинаковы, и серия 1XX может использоваться в более суровых условиях.

Серия 3XX может использоваться только в коммерческих условиях, как правило, в применимом температурном диапазоне устройства.

Цена 1хх намного дороже 3хх.

Функция балансировки зеркального тока обратной цепи реализована путем подключения потенциометра посередине. В дополнение к функции баланса, 6-контактный также имеет функцию стробоскопа, а 6-контактный может быть заземлен через схему управления транзистором для выхода стробоскопа.

Все компараторы имеют выходы с открытым коллектором, без сопротивления нагрузки, они не могут выводить сигналы напряжения.

Двойные блоки питания могут обнаруживать сигналы ниже 0, а одиночные блоки питания могут обнаруживать только сигналы выше 0.

Разумеется, LM311 может питаться от двойного источника питания ±5В. Требование к рабочему источнику питания заключается в том, что разница напряжений между положительным и отрицательным источником питания (или одиночным напряжением источника питания) составляет не менее 3,5 В, а максимальное значение составляет 30 В, если оно находится в этом диапазоне.

 

PA Схема дискретного усилителя класса D | Страница 4

норазми
Участник

#61