Что представляет собой усилитель класса D. Как работает усилитель класса D. Какие преимущества дает использование усилителей класса D. Где применяются усилители класса D. Какие существуют схемы усилителей класса D.
Принцип работы усилителя класса D
Усилитель класса D — это тип усилителя мощности, в котором выходные транзисторы работают в ключевом режиме. В отличие от линейных усилителей классов A, B и AB, в усилителях класса D используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) входного сигнала.
Как работает усилитель класса D:
- Входной аналоговый сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов переменной ширины (ШИМ-сигнал)
- Полученный ШИМ-сигнал усиливается выходными транзисторами, работающими в ключевом режиме
- С помощью LC-фильтра на выходе из усиленного ШИМ-сигнала выделяется исходный аналоговый сигнал
Такой принцип работы обеспечивает высокий КПД усилителя, так как выходные транзисторы работают только в двух состояниях — полностью открыты или полностью закрыты.
Преимущества усилителей класса D
Усилители класса D обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с линейными усилителями:
- Высокий КПД — до 90-95% (у линейных усилителей 50-70%)
- Малые габариты и вес за счет отсутствия массивных радиаторов
- Низкое тепловыделение
- Возможность работы от низковольтных источников питания
- Высокая выходная мощность при компактных размерах
Какой из этих факторов является наиболее важным при выборе усилителя класса D? Безусловно, высокий КПД. Он позволяет существенно снизить энергопотребление и тепловыделение, что критично для портативных и автомобильных аудиосистем.
Области применения усилителей класса D
Благодаря своим преимуществам усилители класса D нашли широкое применение в различных областях:
- Портативная аудиотехника (плееры, смартфоны, ноутбуки)
- Автомобильные аудиосистемы
- Активные акустические системы
- Сабвуферы и усилители басов
- Профессиональное звуковое оборудование
- Системы домашнего кинотеатра
Где усилители класса D особенно эффективны? В первую очередь, в портативных устройствах с батарейным питанием. Высокий КПД позволяет увеличить время автономной работы. Также усилители класса D отлично подходят для мощных сабвуферов, где важны компактность и низкое тепловыделение.
Схемотехника усилителей класса D
Существует несколько основных схем построения усилителей класса D:
1. На дискретных элементах
Усилитель собирается из отдельных компонентов — компараторов, драйверов, транзисторов. Преимущества: гибкость, возможность оптимизации под конкретную задачу. Недостатки: сложность, большое количество элементов.
2. На специализированных микросхемах
Используются интегральные микросхемы, содержащие все основные узлы усилителя. Преимущества: простота, компактность, высокая надежность. Недостатки: ограниченные возможности по модификации схемы.
3. Гибридные схемы
Сочетают микросхему усилителя и внешние силовые транзисторы. Позволяют получить высокую мощность при сохранении преимуществ интегрального решения.
Какая схема оптимальна? Это зависит от конкретного применения. Для массового производства и типовых задач лучше использовать готовые микросхемы. Для уникальных проектов с особыми требованиями подойдет схема на дискретных элементах.
Ключевые компоненты усилителя класса D
Основные элементы, входящие в состав типичного усилителя класса D:
- Генератор несущей частоты (обычно 250-500 кГц)
- Компаратор для формирования ШИМ-сигнала
- Драйверы выходных транзисторов
- Силовые МОП-транзисторы выходного каскада
- LC-фильтр для выделения выходного сигнала
- Цепи обратной связи для линеаризации
- Схемы защиты от перегрузки и короткого замыкания
Какой элемент является наиболее критичным? Пожалуй, выходные МОП-транзисторы. От их параметров (сопротивление открытого канала, время переключения) во многом зависят характеристики усилителя.
Проблемы усилителей класса D
Несмотря на преимущества, усилители класса D имеют ряд специфических проблем:
- Высокий уровень электромагнитных помех из-за работы на высокой частоте
- Искажения при работе на низких уровнях сигнала
- Сложность получения широкой полосы частот
- Необходимость качественной фильтрации выходного сигнала
Как решаются эти проблемы? Для снижения помех применяется экранирование и тщательная компоновка. Искажения на малых сигналах уменьшаются с помощью специальных схем коррекции. Расширение полосы частот достигается повышением частоты ШИМ и применением сложных фильтров высоких порядков.
Современные тенденции в усилителях класса D
Основные направления развития усилителей класса D на сегодняшний день:
- Повышение рабочей частоты ШИМ до нескольких МГц
- Применение многоуровневой ШИМ для снижения искажений
- Использование цифровых методов формирования ШИМ-сигнала
- Интеграция усилителя и цифрового процессора обработки сигналов в одном чипе
- Разработка бестрансформаторных схем с прямым подключением к питающей сети
Какая из этих тенденций наиболее перспективна? Вероятно, интеграция с цифровыми системами обработки звука. Это позволит создавать компактные и эффективные аудиосистемы с широкими функциональными возможностями.
Выбор усилителя класса D
На что следует обращать внимание при выборе усилителя класса D:
- Выходная мощность и сопротивление нагрузки
- Коэффициент нелинейных искажений
- Диапазон воспроизводимых частот
- Отношение сигнал/шум
- Напряжение питания
- Наличие систем защиты
- Габариты и способ охлаждения
Какой параметр наиболее важен? Это зависит от конкретного применения. Для высококачественных аудиосистем критичны искажения и шумы. Для портативных устройств важны габариты и энергопотребление. В профессиональной технике на первый план выходят надежность и выходная мощность.
Схема усилителя класса D 4500Вт на драйвере IR2110
Схема усилителя класса D 4500Вт
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.
Схема усилителя класса D — список деталей:
Резисторы
R1, R3, R4, R9, R13, R18, R19, R20= 1K
R2, R16, R39= 100K
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
U3= LM311
Фото собранного усилителя:
Скачать: Печатная плата, схема усилителя
Изготовление печатной платы усилителя:
Тест усилителя:
Источник: soundbass
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ СТРАНИЦЫ: МЕНЮ
РЕКЛАМА
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Простой усилитель класса Д
Как известно, усилители мощности звуковой частоты делятся на разные классы. Усилители, работающие в классе «А» могут обеспечить приличное качество звучания музыки за счёт высокого тока покоя, однако у них крайне низкий КПД, они потребляют много тока и требуют хорошего охлаждения.Усилители класса «В», наоборот, очень экономичны, но они вносят в сигнал довольно много нелинейных усилителей. Самый распространённый класс – «АВ», как видно по его названию, представляет собой что-то среднее между «А» и «В». Он потребляет не так уж много и позволяет воспроизводить аудио-сигнал с достаточно неплохим качеством. Однако таким усилителям, особенно когда мощность уже исчисляется десятками ватт, всё равно необходим радиатор для охлаждения. Именно поэтому в последнее время большую популярность приобрели усилители класса «Д». Они имеют большой КПД (80-90%) и могут обходиться без радиатора даже при мощности в пару десятков ватт, обеспечивая при этом вполне приличное качество звука. Одна из таких схем представлена ниже.
Схема усилителя
Её основой является довольно распространённая в последнее время микросхема MP7720, она обеспечивает выходную мощность до 20 ватт. Напряжение питания лежит в широких пределах – от 7 до 24 вольт. Чем больше напряжение – тем большую мощность можно получить на выходе. D2 на схеме – стабилитрон на 6,2 вольта, например, 1N4735A. D1 – диод шоттки на напряжение минимум 30 вольт и ток 1 ампер. Подойдёт, например, 1N5819. L1 – дроссель индуктивностью 10 мкГн, подойдёт любой тип дросселя. С9 – разделительный конденсатор, он подключается последовательно с динамиком и срезает постоянную составляющую сигнала на выходе. Именно поэтому даже при неправильной сборке на выходе усилителя не будет постоянного напряжения и за динамик можно не беспокоится. Вывод 4 микросхемы отвечает за её состояние – включена она или выключена. Если напряжение на этом выводе близко к нулю, усилитель не заработает. Именно поэтому на схеме имеется стабилитрон D3 на напряжение 4,7 вольта, можно применить, например, 1N4732A. Все электролитические конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение, минимум в 1,5 раза превышающее напряжение питания. Больше никаких особенностей схема не имеет, достаточно её правильно собрать, и она сразу начнёт работать.
Сборка усилителя класса D
Как обычно, в первую очередь изготавливается печатная плата, её размеры составляют 45х30 мм. Данный усилитель предполагался как самый экономичный и миниатюрный, поэтому все элементы расположены достаточно плотно друг к другу для экономии места, а микросхема в SMD исполнении припаивается со стороны дорожек. Печатная плата выполняется методом ЛУТ, ниже представлено несколько фотографий процесса.
При лужении дорожек нужно быть очень осторожным, чтобы случайно не замкнуть их излишками припоя. После лужения первым делом припаиваем микросхему, а затем уже остальные детали с другой стороны платы. Для подключения всех проводов на плате предусмотрено место под клеммник. После завершения пайки стоит проверить соседние дорожки на замыкание, удалив перед этим остатки флюса с платы. Особое внимание стоит удалить площадке под микросхемой, под ней не должно оставаться жидкого флюса, который может навредить правильной работе усилителя.
Первое включение и испытания
Перед первым включением нужно поставить в разрыв питающего провода амперметр. Затем, подав питание, посмотреть на показания амперметра – без подачи на вход сигнала микросхема не должна потреблять больше 10 мА. Если ток покоя в норме, можно подключать динамик, подавать на вход сигнал, например, с плеера, компьютера или телефона и испытывать усилитель под нагрузкой. Даже при большой громкости микросхема не должна ощутимо нагреваться. На первый взгляд это кажется поразительным – такая маленькая микросхема спокойно обеспечивает мощность на выходе в десяток ватт, совершенно при этом не нагреваясь. Всё дело в том, что она превращает обычный аналоговый аудио-сигнал в последовательность импульсов, которые затем усиливаются. Транзисторы при этом работают не в линейном, а ключевом режиме, что позволяет обойтись без радиатора. Усилитель является монофоническим, значит для воспроизведения стерео сигнала придётся собрать второй такой же. Такую маленькую плату можно встроить куда угодно, она является просто незаменимой при построении различных портативных колонок, которые работают от аккумулятора. Удачной сборки.
Смотрите видео
Обзор импульсных (ключевых) усилителей мощности классов D, T, UcD, PurePath
Информация для начинающих УНЧ-строителей и не только:
принцип работы, схемотехника, модификации и сравнительные характеристики
различных типов импульсных (ключевых) усилителей.
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 компания «Texas Instruments» 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
Усилитель класса D 20W к 300W – ElettroAmici
Это мощный усилитель класса D легко реализовать. Разработанный с компонентами на шельфе, Она может достигать до 300 Вт RMS с напряжением питания, которое может изменяться от +/- 30Разл +/- 60В зависимости от требуемой мощности. Для того, чтобы подняться на несколько значений компонентов за что власть должна быть пересмотрена, как для максимального рабочего напряжения для рассеиваемой мощности. Я поставил этот предел, чтобы не усложнять схему излишне, увеличивая тем самым затраты на изготовление и габаритные размеры.
Это полная схема усилителя канала:
ведомость запасных частей
Принцип работы класса D
Это автоколебательный класса D усилитель. Это обеспечивает отличную производительность благодаря зависимой переменной частоте от входного сигнала. Каждая секция усилителя описана ниже на основе функции scolta.
Каждый компонент имеет более чем одну функцию, с тем чтобы ограничить сложность схемы и, следовательно, затраты, это является результатом последовательных упрощений даты от долгого дизайна исследования.
этап ввода
U1a представляет собой операционный усилитель подключен как инвертор.
R1 и С1 образуют фильтр верхних частот с частотой среза 7 Гц бесполезно упасть ниже таких частот. R1 определяет фиксированное усиление и входное сопротивление усилителя, R2a и R2b обеспечить усиление с формулой
-(R2a + R2B) / R1
Ни одно значение не является критическим, Вы можете выбрать любое значение от 10k до 100k для R2.
С2 вместе с R2 образуют фильтр нижних частот на который уменьшает возможный высокочастотный шум.
Его частота среза устанавливается
Ft = 1 / (6,28xR2xC2)
С2 должны быть адаптированы в зависимости от значений R2.
Инвертор и интегратора
Это кольцо фактической реакции.
С3 устраняет непрерывную составляющую выходного U1a и снова образуют фильтр верхних частот с R3
всегда с формулой
1 / (6,28xR3xC3) = 3,4Hz.
С3 может варьироваться от 2.2uF до 10uF без проблем.
С4 используется, чтобы уменьшить интермодуляционные искажения, которые могут генерировать интегратор U1B. на самом деле, R8, падает через сигнал интегратора. Можно опустить C4, но, Это часто, чтобы он установлен в этом типе схемы в классе D, также, немного вниз’ привод частоты колебаний (C4 = 1 нФ è 255kHz, Это не 330kHz).
R8 определяет, как этап интегратор вместе с усилением R3.
Усиления -R8 / R3.
Кроме 150kOhms R8, усилитель становится неустойчивым. R3 представляет собой входной импеданс интегратора и является довольно низким, Поэтому значение входного каскада видно из U1a.
R4 защищает U1B в случае невыполнения. на самом деле, если насыщенного выходного напряжения, Это эквивалентно потенциал питания (задается T1 или T2 через R8).
R4 формируя делитель с R8, ограничивается +/- 6Максимальное напряжение постоянного тока на инвертирующем входе. R 4 может быть заменен на два 1N4148 диодов, соединенных с оперативными полномочиями, но, с одним сопротивлением проще!
В нормальном режиме работы, инвертирующий вход входного напряжения колеблется от +/- 100 мВ вокруг и R4 бесполезно (усилитель работает без R4).
Если R4 уменьшается (до 1k) Это увеличивает выходное напряжение смещения. Поведение интегратора ухудшилось. Подвода +/- 50VDC, выходное смещение измеряется в:
R 4 = 10k: 6мВ
R4 = 2.2K: 36мВ
R4 = 1k: 71мВ
Это получается, что предпочтительно, чтобы поставить максимальное значение для возможного R4, но, прикасается всегда учитывать максимально допустимый экскурс +/- 10В на инвертирующем входе. 10к оказывается хороший компромисс.
С5 конденсатор интегратора. Его значение существенно влияет на частоту колебаний (сердце усилителя работы в классе D). A +/- 50В постоянном токе измеряется:
C5 = 220pF: 255кГц
C5 = 470pF: 236кГц
C5 = 1nF: 164кГц
в действительности, в частоте работы есть также “медлительность” TL072, года от внутренней схемы, с которой он сделан чувствовать. Именно поэтому мы приняли предел частоты ниже 300 кГц, но достаточный для этого усилителя, стандарт TL072 является хорошим компромиссом бюджета, с достаточно низким коэффициентом шума для использования в аудио- и достаточно быстро для конкретных применений использования.
Выходной сигнал интегратора напряжение является треугольным сигналом, который идет от + 1.0Разл + 4.2дети С5 = 220pF V.
Выбор источника питания +/- 9,1V представляет собой величину более чем достаточно.
общий доход
Общий коэффициент усиления усилителя определяется двумя отдельными усилений в каскаде: усилитель на основе U1a и интегратора.
В случае R2 = 47K усилитель имеет коэффициент усиления, U1a: -R2 / R1 = -47k / 22K = -2.14 (переменная в соответствии с таблицей)
Gain Дополнение: -R8 / R3 = -100k / 4.7K = -21,3 (фиксированный)
Общий коэффициент усиления усилителя D затем -2.14 Икс (-21.3) знак равно 45, с такой амплификации получены в выходе 250W эффективной 4 Ом с входным сигналом стандартного 2 Vpp или же мы можем еще сказать 0,707 эфф.
переводчик Уровень Transistor
транзистор T3, ПНП позволяет “сдвиг” выходной сигнал интегратора напряжения -Vcc. на самом деле, ток через R5 Она равна (изнурении базовый ток), ток, протекающий через R7. Ввод R 5 = R 7, затем напряжения на клеммах R5 и R7 являются одинаковыми. Мы бы тогда R7 в выходном напряжении же интегратора, вычтен Vbe (ошибка о 0,6 V). Учитывая, что использование треугольной формы сигнала, Вам не нужно очень быстро переключающий транзистор. Потенциал его коллектора мало изменяется и, T3 не насытить во время нормальной операция способствует хорошей линейности.
R6 Он ограничивает ток, который может войти в PIN1 (В) из IR2184 предполагая T3 проводящие и было усилитель насыщения U1B или потенциал по умолчанию.
Ее основным сдерживающим фактором является поддержка по крайней мере, Vce = Vcc (60V). Выбор пал на классический BCX42 (125V, 800мА, 330мВт) идеально подходит для такого использования.
Контроль силовых транзисторов: IR2184
Схема выполнена из дискретных компонентов, которые сделали эту функцию, Было бы гораздо более дорогим с точки зрения габаритных размеров и искажение выходного сигнала, а также денежно-кредитной.
Конкретная интегральная схема делает его очень легко контролировать два усилителя MOSFET, Я выбрал IR2184 (половина моста водитель) от International Rectifier . МОП-транзисторы приводятся в движение с фазовой задержки с временем около 0.4нас.
Если вход В (ножка 1) Он сравнивается с 0В С (ножка 3 которой -Vdc), T2 он находится на, T1 он заблокирован, что обеспечивает низкий уровень выходного сигнала (-Vdc) на выходе конечный.
Если потенциал на выводе В Он находится между 3В и 5В относительно контакта С, Т2 заблокирован, T1 включен, но, Он может оставаться таковым только для 10 О 20 мс, потому что его управление получает питание от начальной загрузки конденсатора С12. Если IN остается постоянно 5VDC, T1 и T2 заблокированы и система не колеблется. Выход из транзисторов является 0В (соединен с землей через R4 + R8 или динамик).
IR2184 подается в 12 V (между 10V и 15V является типичным значением) и потребляет около 30 мА, работающих на 250 кГц с двумя транзисторами IRFB5620 приехать “нагрузка”.
D4 е R14 дело с нагрузкой С12 (самозагрузки конденсатор). Этот конденсатор обеспечивает T1, когда эта команда выполняется. T1 может оставаться таковым в течение нескольких десятков миллисекунд, но достаточно для этого усилителя.
IR2184 должны быть расположены в непосредственной близости от T1 и T2.
Следует ожидать, специальный трек, отличный от того, что каналы Т2, который идет на контакт 3 IR2184 стоит его разрушения, по той же причине два электролизера C7 е C8 Кроме того, они должны быть установлены как можно ближе к конечной T1 и T2.
Для того, чтобы уменьшить потери переключения транзисторов,с использованием компонентов R11, R12, D1 е D2. Диоды позволяют быстрое открытие полевых МОП-транзисторов с быстрой разрядки емкости затвора.
IR2184 способен обеспечить ток больше 1A для этой цели. R11 и R12 обеспечивают небольшое дополнительное время простоя, что исключает риск того, что МОП-транзистор входит в состояние проводимости перед другим имеет интердикт.
Выходной каскад
Выходной каскад состоит из двух идентичных N MOSFET транзисторов T1 и T2 и расцепления конденсаторы C7 и C8. Транзисторы имеют такие размеры, как следует:
VDS = с +/- 60Питающий, Оно должно быть 12, к которому должны быть добавлены 30% – 40% примерно маржа.
то, scelgo VDS = 20.
ID = 15А (худшем случае Vcc = 60V / Load = 4 ом) Преимущество, имеющие высокий ID для МОПА-транзистора этого сопротивления Rdson низка, с последующей диссипацией (потери проводимости) низкий. то, scelgo ID = 25А
Они должны быть выбран транзистором с низким зарядом затвора Qg в противном случае для зарядки займет больше времени, расщепляющие окончательный сигнал и проходящую много времени в линейной зоне, что было бы вредным для двух факторов, увеличение конечного искажения и увеличение рабочих температур.
По этим причинам я выбрал IRFB5620: 25200В 60 мОм разработан специально для класса D усилителей.
выход фильтра
LC-фильтр нижних частот в расчете на выходе по следующей формуле
L1 = RL х 1,41 / 6,28 х F
Учитывая RL нагрузки динамика 4 Ом F, а частота среза фильтра, который должен быть по крайней мере несколько октав ниже частоты переключения и по меньшей мере на одну октаву выше максимальной частоты воспроизводимого я произвольно взятой в качестве значения частоты 43KHz
Применяя формулу я тогда
L1 = 4×1,41/(6,28×43000) знак равно 20,95 мкГн
Я выбираю стандартное значение 22мкГн и перерасчет значения частоты с формулой
F = RLx1,41 / 6,28xL1 = 40,8KHz до сих пор в пределах одной октавы по отношению к максимальной частоте.
Для использования емкости вместо формула
C = 1/(6,28xFxRLx1,41) знак равно 1/(6,28x40800x4x1,41) = 690nF
approssimerò, что стандартное значение 680нФ, из полевых испытаний добавления сопротивления R13 последовательно с конденсатором C14 линеаризирует отклик динамиков.
Автозапуск
Как было упомянуто ранее, если вход “В” IR2184 высока статически, T1 и T2 выключены (С12 разряжается и одновременно будет блокировать D4).
Вы должны положить несколько милливольт сигнала (немного «музыка) вход усилителя, чтобы начать самовозбуждение.
При обычном использовании аудио усилителя, Это не создает никаких проблем. Этот класс D усилитель просто “во время сна” до небольшого музыкального ударения.
мощность
Независимо от двойного напряжения между +/- 30В электронной +/- 60V
Чтобы преодолеть эти ограничения как на верхней и нижней части должны быть заменены сопротивления, ограничивающие стабилитроны с постоянными генераторы тока. За исключением решения в этом случае только упростить окончательную схему, сопротивление, даже если питание, Это, конечно, менее громоздкое, чем два резистора диод, и транзистор, который выполняет ту же работу,.
Значения должны быть отнесены к R2 с требуемой мощностью
Соотношение входного сигнала можно путем изменения значения резисторов R2a и R2b, в соответствии с приведенной ниже таблицей, чтобы получить требуемую мощность, не изменяя другие значения, если не двойное напряжение питания, подаваемое.
практическая реализация
Так как я начал делать компактную схему я создал два различных распутать первый с дискретными компонентами, которые позволили мне сделать все необходимые корректировки в тесте функции и конечные с компонентами SMD для тех, кто любит ультра-компактные профессиональные достижения.
Ниже маршрутизации для испытаний с приближенными измерениями 10 см х 6 см
боковые компоненты и боковые меди
Затем, когда все было откалибровано и отрегулировано для лучшей работы я прошел окончательный вариант с использованием интегрированных силовых компонентов SMD, которые до сих пор остающимися сдержанными.
Размер я не был в состоянии уменьшить далее как два электролитические и катушки очень громоздкие предметы.
Несмотря на это, окончательные измерения были сведены к 99mmx43mm измерения 10см сторону задается размером ребра и ниже не сможет спускаться не слишком увеличивать рабочую температуру.
Если мы считаем, однако, что в такой полосе кадрирование он вошел усилитель может доставить к нагрузке 300Вт эффективной 4 Ом замечательно.
Классы усилителей мощности | ldsound.ru
Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т.п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).
Первая буквенная классификация, действующая по сей день (режимы А, B и С), сформировалась в 1920-е годы и была дополнена режимом, или классом, D в 1955 году. Начавшийся в 1960-е годы выпуск высокочастотных силовых транзисторов сделал возможным построение экономичных транзисторных усилителей радиочастот классов E и F. Последовательное усовершенствование транзисторных усилителей мощности звуковых частот класса B привело к разработке усилителей классов G и H. Единого реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква (например, S) может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот. Буква, широко используемая в одной области электроники (класс F с его производными F1, F2, F3 и т. д.), в другой области может считаться «свободной». Кроме того, есть «классы усилителей» — торговые марки компаний-производителей и стоящие за ними частные технические решения. Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие известны только по рекламе производителей.
Традиционная классификация: класс А, B, С и D
В 1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис, опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работы были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось. В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.
Одна и та же схема двухтактного усилителя может работать в режимах А, АB, B и C. Режим задаётся выбором напряжения смещения на сетках (Vс):
Формулировки стандарта IRE были составлены в терминах выбора управляющих напряжений на сетке лампы, обеспечивающего непрерывное (А) или прерывающееся (B и C) протекание анодного тока. В других отраслях электроники сложились иные, эквивалентные формулировки. Конструкторы радиоприёмных устройств оперировали понятием угла проводимости гармонического сигнала, а конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока — выбором рабочей точки на передаточной (анодно-сеточной) или выходной (вольт-амперной) характеристике лампы.
В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада («режимом А называют такой режим работы усилительного элемента…»), понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).
Режим усилителей класса А
Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360º.
Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М.А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы». При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя. В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим.
Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20%, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УМЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.
Режимы усилителей класса B и AB
В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину. Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение боольшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.
Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5%, реального транзисторного каскада — примерно 72%. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки Pмакс(Rн). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 Pмакс(Rн), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46% от Pмакс(Rн), а КПД каскада уменьшается до 40%. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться.
Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B, всегда устанавливается небольшой, но не нулевой ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5-15% от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10-100 мА на каждый транзистор. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при боольших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.
В современной литературе нет единого мнения о классификации таких двухтактных транзисторных каскадов. По мнению Джона Линдси Худа и Боба Корделла, их следует рассматривать как режим AB. По мнению Г С. Цыкина, Дугласа Селфа и А.А. Данилова это режим B. С их точки зрения, полноценный режим AB начинается при существенно боольших токах покоя (и сопровождается неприемлемо большим уровнем переходных искажений).
Режим усилителей класса C
В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°). В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы. Предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5%, а перенапряжённого — 100%. Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД.
В англоязычной литературе и недонапряжённый, и перенапряжённый режимы относят к «классическому», или «настоящему», режиму С (англ. classic Class C, true Class C). Современные усилители мощности радиочастот обычно работают в ином, «смешанном» режиме С (англ. mixed-mode Class C), который иногда выделяется в особый «режим СD». В течение одного периода транзистор такого усилителя последовательно проходит через четыре фазы — отсечки, нарастания коллекторного тока, насыщения и снижения тока, причём длительность активных фаз (нарастания и снижения тока) сопоставима с длительностью фаз отсечки и насыщения.
Режим усилителей класса D
Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951) и Алеком Ривзом (Великобритания). В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику. В 1964 году в Великобритании выпустили первые транзисторные УМЗЧ класса D, не имевшие коммерческого успеха, в 1974 и 1978 столь же безуспешные попытки предприняли Infinity и Sony. Массовый выпуск усилителей этого класса стал возможен только после отладки производства силовых МДП-транзисторов, состоявшейся в первой половине 80-х годов.
Структурная схема усилителя класса D без петли обратной связи
В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами мОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90%, в наиболее экономичных образцах 95%, при этом он мало зависит от выходной мощности. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.
Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.
Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения, но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя. В отличие от традиционных усилителей, в той или иной мере подавляющих нестабильность питающих напряжений, в усилителях класса D низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его по амплитуде. Чтобы снизить эти искажения, конструкторы перешли от синхронной ШИМ к асинхронной модуляции с переменной частотой следования импульсов и к сигма-дельта-модуляции (способ модуляции, обеспечивающий оцифровку сигнала с заданными характеристиками в рабочей полосе частот). Неизбежным следствием этого стал рост частоты переключения выходных транзисторов до десятков МГц и снижение КПД из-за роста потерь при переключении. Для того чтобы снизить эти потери, конструкторы применили простейшие цифровые схемы, уменьшавшие частоту переключения (например, преобразовывавшие последовательность управляющих импульсов 01010101…, соответствующую нулевому входному напряжению, в 0011…, 00001111… и так далее). Естественным развитием этого подхода стал полный отказ от аналоговой модуляции и переход к чисто цифровой обработке входных сигналов, а побочным следствием — разрастание номенклатуры однобуквенных «классов усиления».
В 1998 году основанная Адья Трипати компания Tripath выпустила полностью цифровой интегральный УМЗЧ класса D с заявленными показателями качества, приближавшимися к показателям «обычных» усилителей высокой верности. Новые микросхемы пошли в продажу под вывеской «класса Т» и получили в целом положительные отзывы прессы и радиолюбителей. Усилитель Tripath TA2020 вошёл в список «25 микросхем, которые потрясли мир» журнала IEEE Spectrum, а сама компания прекратила существование в 2007 году, не выдержав конкуренции с крупными производителями. За «классом T» последовали «класс J» компании Crown International, «класс TD» компании Lab.gruppen, «класс Z» компании Zetex и радиочастотный «класс M» компании PWRF. Обозреватель журнала EDN Пол Рейко заметил, что «cочинение новых ”классов усилителей” — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компании больше вреда, чем пользы … хотите новый класс усиления — купите Allen-Bradley (производитель ракеты Tomahawk) и изобретите заново класс AB».
Эволюция усилителей звуковой частоты: классы G, H, …
Класс G c переключением
Следящий класс G и класс Н
Гибридный класс D («класс TD»)
Гибридный класс D
Максимальная мощность усилителя звуковой частоты, определяемая в том числе напряжением его питания, бывает востребована относительно редко. Боольшую часть времени усилитель воспроизводит сигналы относительно небольшой амплитуды. В усилителях классов B или AB это сопровождается высокими абсолютными потерями энергии при малом КПД (10—40%). Чтобы уменьшить потери и повысить КПД, следует снизить напряжение питания — но усилитель с низким напряжением питания окажется неспособным воспроизводить редкие пиковые фрагменты входного сигнала. Решение этой дилеммы предложил в 1964 году инженер НАСА Мануэль Крамер. По идее Крамера, усилитель класса B или AB следовало питать от источника напряжения с двумя или тремя комплектами шин питания. При воспроизведении сигналов малой амплитуды выходной каскад подключен к шинам с низким напряжением питания, а с ростом уровня сигнала он переключается на питание от шин с высоким напряжением.
Серийный выпуск таких УМЗЧ начала в 1977 году компания Hitachi. Новинка получила маркетинговый ярлык «класса G», который прижился в японской и британской литературе и стал признанным дополнением традиционной классификации усилителей. Японские усилители класса G спросом не пользовались, а аналогичная конструкция Боба Карвера, выпущенная в 1981 году, прижилась на американском рынке профессионального оборудования. Придуманное Карвером название «класс H» закрепилось в американской литературе, и некогда универсальная классификация распалась на региональные ниши — «американскую» и «англо-японскую». С течением времени американские авторы вернулись к «англо-японским» обозначением — именно их используют, например, Деннис Бонн (2012) и Боб Корделл (2011). Современное понятие «класса G» объединяет два подхода к переключению шин питания — ступенчатое и плавное переключение, и два подхода к схемотехнике выходного каскада — последовательное включение («внутренний» каскад собственно УМЗЧ вложен во «внешний» каскад управления шинами питания) и параллельное (два выходных каскада, «низковольтный» и «высоковольтный», подключены к нагрузке в параллель).
Следующим этапом развития экономичных усилителей стал «европейский» класс H — усилители с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на верхней (для положительной полуволны) или нижней (для отрицательной полуволны) шине питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания. В более сложном варианте, применяемом в микросхемах автомобильных УМЗЧ, применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтодобавки до требуемых значений. За классом Н последовали разнообразные схемы гибридов усилителей классов B и D. В этих конструкциях «грязный» усилитель класса D формирует напряжение на шинах питания «чистого» усилителя в классе B или AB (реже — класса H), подключенного к нагрузке. Варианты таких усилителей получили названия «гибридного класса D», «класса TD» или «следящего класса D», «класса A/H», «класса К» (от Корея) и т.п. «Класс BD», напротив, не является гибридным — это всего лишь ранний вариант класса D с синхронной ШИМ.
Эволюция радиочастотных усилителей: классы E, F, …
Схемотехника радиочастотных усилителей развивается в двух основных направлениях: повышение рабочей (несущей) частоты сигнала и повышение коэффициента полезного действия в уже освоенных частотных диапазонах. В 1985 году транзисторные усилители, работающие на относительно низких частотах, достигли КПД в 95-98%, а уже на частоте в 30 МГц КПД снижался до 80%. К 2000 году то же значение КПД в 80% стало нормой для диапазона 900 МГц. На этих частотах задержка переключения транзистора становится сопоставимой с периодом несущей частоты, и грань между ключевыми режимами и режимами управляемого источника тока стирается. При этом не существует ни единой теории, описывающей процессы в сверхвысокочастотных мощных каскадах, ни единого метода анализа и оптимизации таких каскадов — даже давно известного каскада в смешанном режиме С.
В 1975 году попытку такого анализа провели отец и сын Натан и Алан Сокал. Взяв за основу хорошо известный ключевой каскад, они поставили задачу минимизации потерь во время переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Сокал сформулировали принцип работы экономичного усилителя мощности, названного ими «классом E». При выключении транзистора ток через него должен уменьшится до нуля до того, как начнёт нарастать коллекторное напряжение, а при включении — напряжение на коллекторе должно упасть до нуля до того, как начнёт нарастать ток. Сочетание высокого напряжения и большого тока недопустимы. Таким образом, утверждал Натан Сокал, возможно снизить потери с 35% до 15% потребляемой мощности даже на частотах, на которых задержка включения транзистора составляет 30% периода несущей частоты.
Альтернативный подход к снижению потерь — спектральное (гармоническое) разделение токов и напряжений в выходном каскаде. Нагрузка такого усилителя состоит из нескольких резонансных контуров, настроенных на пропускание чётных гармоник несущей частоты и на подавление нечётных гармоник. В идеале форма тока такого каскада содержит, помимо несущей частоты, только её чётные гармоники, а форма напряжения на коллекторе или стоке мощного транзистора — только нечётные. В реальных усилителях используется два или три контура, поэтому формы токов и напряжений существенно отличаются от идеальных. Усилители такого рода обычно выделяются в особый класс F, но в литературе также встречаются термины «экономичный класс С», «оптимальный класс С», «мультирезонансный класс С», HRA (англ. harmonic reactance amlifier), HCA (англ. harmonic control amplifier) и даже «класс Е» (в смысле, отличном от класса Е по Сокалу). В зависимости от конфигурации контуров и выбора подавляемых и пропускаемых гармоник внутри класса F выделяют подклассы F1, F2, F3, F-1 («обратный», или «инверсный», F) и т.п.
Еще одна статья по классам усиления
Схема усилителя мощности звука D-класса на TPA3116D2
Приветствую всех зашедших!Представленный в статье усилитель интересен тем, что работает в классе D. Это означает, что он будет обладать самым высоким КПД среди всех остальных классов усилителей, примерно 90%, обеспечивается это за счёт того, что транзисторы в выходном каскаде усилителя работают не в линейном режиме, а ключевом — то есть в каждый момент времени находятся либо в закрытом состоянии, либо полностью открытом, формируя ШИМ сигнал с частотой около 400 кГц. Как известно, при работе в ключевом режиме на транзисторе практически не выделяется тепло (только небольшие потери на переключениях), потому как когда он закрыт — ток через него не протекает вовсе, а когда открыт полностью сопротивление его канала так мало, что не вызывает существенного падения напряжения. На выходе усилителя сформированный ШИМ-сигнал интегрируется на цепях с индуктивностями и конденсаторами, в итоге получается точно такой же сигнал, на на входе усилителя, только больший по амплитуде и мощности. Высокий КПД позволяет сделать мощный усилитель компактным — ведь ему для охлаждения не понадобятся громоздкие радиаторы, кроме того, снижаются требования к мощности блока питания. В данной статье рассматривается схема усилителя D-класса на микросхеме TPA3116D2, она может работать в моно-режиме с выходной мощность до 100Вт, либо в стерео режиме до 2х50Вт, в данном случае рассматривается включение в режиме моно. Микросхему без труда можно найти в продаже в радиомагазинах, однако стоит учитывать, что её цена будет несколько выше, чем на распространённые микросхемы-усилители класса AB. Большой популярностью пользуются модули на её основе, однако, если есть схема, то почему бы не собрать своими руками.
Помимо самой TPA3116D2 на схеме присутствует предусилитель на операционном усилителе NE5532, он обеспечит нужный уровень сигнала для микросхемы даже при подключении к слабому источнику. Вместо NE5532 можно применить и другие сдвоенные малощумящие ОУ, например, TL072. Первый, каскад, IC1A, работает в роли усилителя — коэффициент усиления задаётся резисторов обратной связи R5, его можно увеличивать и уменьшать под свои нужны, а второй каскад, IC1B, работает в качестве буфера сигнала, обеспечивая низкое выходное сопротивление. На входе имеется переменный резистор на 47 кОм — регулятор громкости, желательно использовать логарифмический потенциометр. Далее сигнал через разделительную ёмкость попадает на вход TPA3116D2. На её выходе присутствуют две индуктивности по 10 мкГн — можно намотать самому на ферритовом колечке, воспользовавшись калькуляторами индуктивности, либо купить готовый дроссель в магазине. Стоит учитывать, что микросхема обеспечивает высокий выходной ток (до 7,5А), поэтому и дроссель должен быть намотан проводом соответствующего диаметра, не менее 1 мм. К выходам OUT подключается динамик, микросхема позволяет подключать даже низкоомные, от 2-х Ом.
На картинке выше показан график зависимости мощности от питающего напряжения для нагрузки 3 Ома. Диапазон возможных напряжений питания микросхемы простирается от 2,5 до 26В, однако и выходная мощность будет очень сильно зависеть от напряжения питания, максимум в 100 ватт может быть достигнут только при максимальном напряжении в 26 вольт. Оптимальным можно назвать диапазон от 12 до 24В — в этом случае и мощность будет существенной, и микросхема будет работать не на пределе. Идеальным источником питания для усилителя может стать блок питания от ноутбука, обычно они имеют напряжение на выходе 19-22В и рассчитаны на достаточно большую мощность, от 50 Вт. Но для питания можно использовать и любой другой источник с подходящей мощностью и напряжением, мощность источника выбирается как +20..50% к предполагаемой выходной мощности усилителя.
Собирается усилитель на печатной плате, которая, во-первых, предполагает использование SMD компонентов, а во-вторых, двусторонняя, поэтому перед изготовлением данной платы нужно удостоверится в своих силах. Скачать плату как в виде картинок, так и в gerber-файле можно в архиве в конце статьи. Чтобы не утруждать себя трудоёмким процессом изготовления двусторонней платы, можно заказать её изготовление в Китае — при этом и выглядеть она будет как настоящая заводская плата. Однако перед этим нужно убедится, что все посадочные места для деталей соответствуют реальным размерам имеющихся элементов. Плата имеет две клеммные колодки — для подключения питания и выхода на динамик, разъёмы должны быть рассчитаны на мощность 100Вт. Регулятор громкости установлен прямо на плате, однако при необходимости его можно вывести на проводах, если плата будет устанавливаться в большом корпусе.
Внешний вид собранной платы. Первое включение стоит проводить от низковольтного источника (5-10В) с ограничением тока, чтобы убедится, что всё собрано правильно. Затем можно подавать полное напряжение питания и проверять с подключением акустической системы. Многие утверждают, что звук усилителей класса D годится лишь для каких-то концертных применений или постройки сабвуферов, однако сейчас это направление электроники существенно шагнуло вперёд и усилителе в классе D радуют звуком ничуть не хуже, чем все остальные, однако имеют при этом неоспоримое преимущество в виде высокого КПД. Удачной сборки!
Источник (Source)
ВКонтакте
ОК
Усилитель высокой мощности класса D D4K5
Эта схема усилителя высокой мощности представляет собой усилитель мощности класса D, который имеет достаточно высокую мощность, чтобы генерировать 300 Вт мощности на 8 Ом, а также большую мощность до 500 Вт на 4 Ом. Этот усилитель мощности может генерировать большую мощность при наличии достаточного источника питания. Например, вы можете использовать трансформатор на 30 А с симметричным напряжением 100 В.
Вот принципиальная схема усилителя высокой мощности класса D D4K5:
Список компонентов
Резистор
R1, R3, R4, R9, R13, R18, R19, R20 = 1K
R2, R16, R39 = 100 тыс.
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 / 5 Вт
R41 = 10R / 2W
RV1 = 10K Trimpot
Конденсатор
C1 = 10 мкФ / 16 В
C2 = 10N
C3, C4 = 1N
C5 = 470 мкФ / 16 В
C6 = 220 мкФ / 16 В
C7, C9, C11, C12, C13, C15, C16, C18, C19 = 100N MKP
C8 = 470 мкФ / 16 В
C10, C14, C17 = 100 мкФ / 16 В
C20 = 10 мкФ / 50 В
C21, C22, C23 = 220 Н / 475 В
C24, C25, C26 = 470 мкФ / 180 В
C27, C31, C33 = 100 Н / 275 В
C28, C29, C30 = 470 мкФ / 180 В
C32 = 470N / 250V
Диод
D1, D2, D5, D10, D11 = 1N4148
D3, D4 = ZD5V6
D6, D18, D19 = MUR460
D7 = светодиод (КРАСНЫЙ) OCP
D8 = ZD5V6
D9 = светодиод (СИНИЙ)
D12, D13, D14, D15, D16, D17 = 1N5819
Транзистор
Q1 = 2N5401
Q4, Q6 = BD139
Q5, Q7 = BD140
Q8, Q9, Q10, Q11, Q12, Q13 = IRFP260
IC
U1 = TL071
Q2 = CD4049
Q3 = IR2110
U2 = NE555
U3 = LM311
Усилитель мощности использует компоненты просмотра, и этот усилитель мощности включает OCP, DCP.И с использованием 6x N-Channel Power Mosfet. Вы можете использовать IRFP260, IRFP4227, IRFP4242 и другие. Если вы хотите сделать этот усилитель мощности, см. Следующий макет печатной платы
.Принципиальная схема усилителя 170 Вт класса D
с LM4651 и LM4652
Комбинация микросхемы драйвера LM4651 и усилителя мощности LM4652 MOSFET класса D обеспечивает высокоэффективное решение усилителя, подходящее для динамиков с автономным питанием, сабвуферов и автомобильных усилителей .
LM 4651 — это полностью интегрированный драйвер обычного широтно-импульсного модулятора (ШИМ), содержащий схемы защиты от пониженного напряжения, короткого замыкания, перемодуляции и теплового отключения. Микросхема имеет функцию ожидания, которая отключает широтно-импульсную модуляцию, сводя к минимуму ток питания.
LM 4652 — это полностью интегрированная ИС с H-мостом Power Mosfet в блоке питания TO220. Микросхема имеет встроенный датчик температуры, который предупреждает LM4651, когда температура кристалла превышает пороговый предел.
При совместном использовании LM4651 и LM4652 образуют простое, компактное, эффективное, высококачественное решение для аудиоусилителя мощности с защитой, обычно встречающейся только в усилителях класса AB.
Максимальная эффективность этой схемы составляет 85% при 125 Вт с затуханием в режиме ожидания более 100 дБ. THD при 10 Вт, 4 Ом, 10 — 500 Гц составляет макс. 0,3%. Напряжение питания не может превышать ± 22 В.
Для наилучшей работы требуется подходящий предусилитель .При добавлении предусилителя усиление силового каскада может быть значительно уменьшено для повышения производительности. Коэффициент усиления должен быть установлен на 10 В / В, чтобы обеспечить низкое усиление на каскаде класса D при достаточно высоком общем системном усилении, чтобы быть полным решением для источников линейного уровня.
Используемый здесь входной фильтр не приводит к заметному увеличению THD, но помогает поддерживать ровную частотную характеристику, поскольку добротность выходного фильтра изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Примечания к дизайну, полные спецификации и рекомендуемые эталонные конструкции печатных плат можно найти здесь.
Не пытайтесь сделать этот усилитель своим первым проектом! Усилители высокой мощности класса D дороги, сложны в сборке, и очень небольшая ошибка во время сборки может привести к полному выходу из строя ИС питания или других дорогостоящих компонентов.
Усилитель мощности класса D
% PDF-1.6 % 1 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 2 0 obj > транслировать pdfHarmony 2.0 Linux Kernel 2.6 64bit 13 марта 2012 Библиотека 9.0.11122.13.8.5.14application / pdf
Схема усилителя класса D с использованием IC 555
Усилитель класса D, также называемый цифровым усилителем, использует широтно-импульсную модуляцию или технологию ШИМ для усиления подаваемого аналогового музыкального сигнала малой амплитуды.
Почему усилитель класса D
Основными преимуществами этого типа усилителя являются высокий КПД, низкая стоимость, с единственным недостатком, связанным с искажением, если его не очистить с помощью правильно рассчитанных фильтров на выходе.
Обычно все усилители являются аналоговыми, в которых входная музыка или частота усиливаются в соответствии с тем же шаблоном, который подается на вход.
Так как музыка может в значительной степени иметь экспоненциально растущее и падающее содержимое, а также частоты, сопровождаемые всевозможными амплитудами, вызывают нагрев устройств.
Это происходит из-за того, что транзисторам BJT и МОП-транзисторам не «нравятся» переходные входы, когда сигнал не имеет внезапных подъемов и спадов, а, скорее, постепенно проходит через точки, в которых устройства не включены или выключены полностью, это вызывает большое тепловыделение и мощность. loss
В усилителе класса D музыкальный вход сравнивается с высокочастотными треугольными волнами и на выходе преобразуется в «язык» ШИМ. Контент PWM хранит всю информацию о музыке и транслирует ее обратно в подключенный громкоговоритель с усилением.
Однако, поскольку ШИМ будут состоять из неэкспоненциальных импульсов, где импульсы имеют форму прямоугольных столбов, внезапное включение / выключение без переходов может привести к значительным искажениям на выходе.
Чтобы сгладить вышеуказанную проблему, обычно включается фильтр нижних частот, в котором спайки сглаживаются для создания достаточно хорошей и четкой усиленной репликации.
Предлагаемая конструкция схемы цифрового усилителя класса D использует знаменитую микросхему 555 для предполагаемых сравнений.
Вместо метода ШИМ здесь мы используем альтернативный режим, называемый PPM или импульсной позиционной модуляцией, который можно считать не хуже ШИМ.
Использование импульсной модуляции положения
PPM также известно как модуляция плотности импульса из-за специфики его функционирования.
Здесь вход модуляции сравнивается с высокочастотными треугольными волнами, а выход оптимизируется путем изменения положения или плотности генерируемого / сравниваемого импульсного выхода.
Как видно из приведенной ниже схемы усилителя класса D, IC 555 настроен как стандартный нестабильный режим среднего напряжения, где резисторы Ra, Rb и C определяют частоту треугольных волн, генерируемых на выводе 6/7 микросхемы IC. .
Вышеупомянутые высокочастотные треугольные волны сравниваются с музыкальным входом, подаваемым на управляющий входной вывод 5 ИС.
Здесь низковольтный музыкальный сигнал сначала усиливается до некоторого оптимального уровня напряжения, а затем подается на управляющий входной контакт № 5 IC555.
Это приводит к обсуждаемому выходу PPM на выводе №3 IC. Он усиливается T1 до сильноточного выхода и подается на громкоговоритель для требуемого усиления типа D.
Аудиотрафик выполняет несколько интересных функций, он усиливает выходной сигнал LS, а также в некоторой степени сглаживает гармоники, которые обычно являются частью всех схем усилителей класса D.
Можно попробовать конденсатор фильтра (неполярный) через LS для получения более чистого звука на выходе.
Распиновка IC 555
Распиновка IC LM386
Схема коммутирующего усилителя
Линейные усилители класса A и класса B обычно используются для усиления аудиосигналов. С другой стороны, можно было бы также усилить аудиосигналы с помощью нелинейного усилителя.
Этот тип нелинейных усилителей обычно называют «переключающими» усилителями или усилителями класса D, поскольку выходные транзисторы этих устройств переключаются либо при полном включении, либо при полном выключении.В коммутирующем усилителе почти вся электрическая мощность передается на нагрузку (громкоговоритель) в периоды, когда транзисторы усилителя полностью включены.
Наибольший объем мощности рассеивается через транзисторы, когда устройства находятся в переходах включения и выключения. Чем быстрее переход, тем меньше мощность выводится через выходные транзисторы. Из-за компоновки переключающих усилителей уровень эффективности переключающего усилителя может значительно превышать 90%.
Напротив, усилители классов A и B обеспечивают максимальный КПД около 20% и 78,5% соответственно. Дополнительным преимуществом высокой эффективности переключаемых усилителей является то, что эти блоки имеют меньшие размеры, меньший вес и, как правило, намного дешевле, чем аналоги классов A и B.
Импульсный усилительиспользует широтно-импульсный модулятор для выполнения необходимых процедур переключения. Звуковые сигналы сначала преобразуются в последовательность импульсов, каждый из которых прямо пропорционален мгновенным амплитудам звукового сигнала по сравнению с фиксированной частотой, фиксированной амплитудой треугольной формы волны, которая используется в качестве эталона.
Таким образом, относительно фиксированной частоты амплитуда сигнала изменяет ШИМ (рабочий цикл) на выходе. Затем сравниваемая разница усиливается и подается на мощный 8-омный громкоговоритель, который в ответ демодулирует ШИМ и воспроизводит усиленный коммутируемый аудиовыход.
Цепь источника питания
Принципиальная схема коммутирующего усилителя показана на изображении выше. Для питания цепи усилителя необходим независимый источник постоянного тока 51 В.
Источник питания 51 В подается на набор стабилитронов D5 и D6 и сглаживается конденсаторами C11 и C12, чтобы получить источник постоянного тока 12 В для схемы усилителя.Кроме того, часть источника 51 В постоянного тока перекрывает стабилитроны для питания каскадов схемы, которые должны работать напрямую с напряжением 51 В постоянного тока.
Как работает схема
Правая и левая звуковые частоты подаются на схему коммутирующего усилителя через разъемы J1 и J2 соответственно. Пара каскадов операционного усилителя TL074, IC1c и IC1d, вырабатывают треугольный эталонный сигнал с размахом 4 В и частотой 50 кГц.
Полученный сигнал затем подается на потенциометр R19, который обеспечивает переменную опорную точку для компараторов напряжения.Это позволяет усилителю использовать входные сигналы с амплитудами, которые находятся в диапазоне от 1 вольт от пика до пика до 4 вольт от пика до пика.
Дополнительная пара секций операционного усилителя, IC1a и IC1b, работают как компараторы для генерации выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией для левого и правого каналов усилителя. В правом канале усилителя выход компаратора напряжения подключен к схеме биполярного преобразования через токоограничивающий резистор R5.
Преобразовательная схема имеет положительную и отрицательную «клемму»; Q1, D1 и R1, которые действуют как положительный вывод, и Q3, D3 и R11, которые образуют отрицательный вывод.Оба вывода соединены с землей с помощью эмиттеров транзисторов Q1 и Q3, обеспечивая опорный уровень для преобразователя.
Установленный преобразователь приводит к появлению 17 вольт на Q1, Q3 и стабилитронах D1 и D3. Таким образом, имеется достаточное количество тока, чтобы снизить емкость затвора силового полевого МОП-транзистора; который включает и выключает дополнительный двухтактный выходной каскад Q5 и Q7 силового полевого МОП-транзистора с очень высокой скоростью.
Правый и левый выходы усилителя подключены к разъемам J3 и J4 соответственно.Выход может обеспечить общую мощность 60 Вт RMS на подключенные 8-омные динамики. Динамики позволяют демодулировать сигнал и генерировать усиленный аудиовыход. При максимальной выходной мощности потребление тока динамическими динамиками на 8 Ом будет примерно 1,2 ампера при 51 В постоянного тока.
Блок питания
Далее поговорим о блоке питания. На втором рисунке изображена принципиальная схема цепи питания. Напряжение переменного тока, полученное от PL1, поступает на мостовой выпрямитель BR1, который обеспечивает полноволновый выходной сигнал примерно 165 В постоянного тока.
Конфигурация, построенная на частях R1, R2, D1, D3 и D4, вырабатывает серию импульсов 5 В, которые обеспечивают пару важных характеристик: сначала импульсы используются в качестве источника питания 5 В, предназначенного для настройки импульса. форма и моностабильная схема с помощью D2 и C1.
2-й, импульсы активируют оптопару IC1 и симистор TR1 посредством конфигурации формирования импульса, созданной с использованием Q1, Q2 и R3 R5, и моностабильной схемы, построенной вокруг C2 и R6.
Резистор R2 фиксирует самый высокий ШИМ и, следовательно, самый высокий уровень выходного напряжения.Если обратная связь не используется, нефильтрованное пиковое напряжение может составлять приблизительно 90 вольт.
Чтобы получить требуемый выход 51 В для схемы переключающего усилителя, конфигурация обратной связи, построенная с использованием R6, R7 и C3, смещает оптопару в обратном направлении каждый раз, когда выходное напряжение становится больше 51 вольт. Это впоследствии подталкивает TR1 к выключению, когда нефильтрованное напряжение приближается к нулю. Таким образом, схема обратной связи RC регулирует выходное напряжение, пытаясь изменить состояние проводимости IC1.
(PDF) Высокоэффективный усилитель мощности звука класса D с ШИМ CMOS
Том 30, № 2 Journal of Semiconductors Февраль 2009
Высокоэффективный КМОП усилитель мощности звука с ШИМ класса D ∗
Zhu Zhangming (朱 樟 明) 1, †, Лю Ляньси (刘 帘 曦) 1, Ян Иньтан (杨银堂) 1 и Лэй Хань (雷 晗) 2
(1 Институт микроэлектроники, Сидянский университет, Сиань 710071, Китай)
( 2 Xi’an Power-Rail Micro Co., Ltd, Сиань 710075, Китай)
Аннотация: На основе разностного метода обратной связи с обратной связью и разностного предусилителя был получен высокий КПД
PWM CMOS class-D предлагается усилитель мощности звука.
компаратор PWM с оконной функцией встроен в усилитель мощности звука класса D. Результаты проектирования на основе процесса CSMC 0,5 мкм CMOS
показывают, что максимальная эффективность составляет 90%, PSRR составляет –75 дБ, диапазон напряжения источника питания составляет 2,5–5,5 В, THD + N
при входной частоте 1 кГц. меньше 0,20%, ток покоя без нагрузки составляет 2,8 мА, а ток отключения составляет
0,5 мкА. Активная площадь усилителя мощности звука класса D составляет около 1.47 × 1,52 мм2. Обладая хорошими характеристиками,
усилитель мощности звука класса D может применяться в нескольких системах питания звука.
Ключевые слова: усилитель звука класса D; ШИМ; CMOS; высокая эффективность; Rail-to-Rail компаратор; разница
DOI: 10.1088 / 1674-4926 / 30/2/025001 EEACC: 1210; 1220; 1290
1. Введение
Обычные усилители звука класса A, B или AB непосредственно
усиливают аналоговые сигналы и должны работать в триодном ре-
gion.Хотя усилители звука класса AB имеют высокое качество,
их рассеиваемая мощность очевидна, а эффективность преобразования составляет
ниже 50%, что вряд ли удовлетворяет требованию экономии энергии
. Некоторые методы (например, использование каскада с двухтактным выходом
) применяются для компенсации усилителей класса AB, но
, когда мощность высока, силовые устройства все еще находятся под угрозой, а выходная мощность
ограничена, таким образом, практическая эффективность преобразования —
Эффективность составляет 30% –40% независимо от того, что теоретическое значение
равно 78.5%, что ведет к серьезной проблеме потерь энергии. В то же время мы должны увеличить площадь кристалла
или даже добавить плюс
излучающий фланец для отвода тепла, поэтому требуется слишком большая площадь
, а также недоступна стоимость. С другой стороны, усилители
класса D имеют много преимуществ перед упомянутыми выше классами A,
B или AB, характеристика, работающая в состоянии переключения
, обеспечивает теоретическую эффективность 100%,
— практическую. значение может быть более 80%, и поэтому рассеиваемая мощность, площадь кристалла и площадь, занимаемая печатной платой, могут быть значительно уменьшены.Поскольку нынешняя электронная промышленность нацелена на малые объемы, малую мощность
и высокую эффективность, у усилителей класса D есть светлое будущее
[1–9].
В настоящее время усилители мощности звука класса D уже
используются в бытовой электронике, такой как DVD,
LCD-TV, MP4 и сотовые телефоны. По сравнению с обычным усилителем мощности звука
класса AB, его самым большим преимуществом является высокий КПД
, практический КПД будет более 80%,
, а теоретический КПД — 100%.В усилителе мощности звука класса D
мы сравниваем звуковой сигнал и сигнал постоянной частоты
с высокой частотой, затем модулируем этот результат сравнения
, используя несущие волны постоянной частоты, таким образом, цифровой сигнал
преобразуется в сигнал ШИМ, который имеет изменяемую ширину импульса
и постоянную несущую частоту (обычно сотни кГц
). Сигнал ШИМ усиливается с помощью полевого МОП-транзистора, а несущая частота ШИМ-сигнала с амплитудно-частотной модуляцией удаляется с помощью проходного фильтра LC low-
, в результате чего получается исходный динамик
, управляющий звуковым сигналом основной полосы частот.
На основе разностного метода обратной связи с обратной связью
и разностного предусилителя предлагается высокоэффективный ШИМ CMOS
усилитель мощности звука класса D, а также компаратор
с оконной функцией. Предлагается в качестве ШИМ ком-
паратор. Вся схема смоделирована и проверена на основе процесса
CSMC 0,5 мкм CMOS, и доказана высокая эффективность
и низкое энергопотребление.
2. Высокоэффективный ШИМ-усилитель мощности класса D —
, проигрыватель
Поскольку стабильность и шумовые характеристики замкнутой системы
намного лучше, чем у разомкнутой системы [9],
мы используем замкнутый контур. Архитектура звуковой частоты класса D
с системой обратной связи, которая используется для уменьшения искажений
.Рассматривая приложение без фильтра, в качестве входного каскада используется полная дифференциальная структура
, а полный дифференциальный операционный усилитель
каскадно включен в качестве полного дифференциального интегратора.
Предлагаемый усилитель класса D, показанный на рисунке 1, представляет собой полностью дифференциальный усилитель
с дифференциальными входами и выходами.
Полностью дифференциальный усилитель состоит из дифференциального усилителя
и синфазного усилителя. Дифференциальный усилитель
гарантирует, что усилитель выдает дифференциальное напряжение на выходе
, которое равно дифференциальному входному сигналу, умноженному на усиление.Общая обратная связь
гарантирует, что проект синфазной
∗, поддерживаемый Национальным фондом выдающихся молодых ученых Китая (№ 60725415), Национальным фондом естественных наук Китая
(№ 60676009), доктором Фонд Министерства образования (№ 20050701015) и Фонд инноваций
(№ 07C26226101993).
† Автор, ответственный за переписку. Электронная почта: [email protected]
Получено 23 июля 2008 г., измененная рукопись получена 7 октября 2008 г. c
⃝2009 Китайский институт электроники
025001-1
Улучшенные методы коррекции ошибок для безфильтрового цифрового усилителя мощности звука класса D на основе FCLNF
С целью исправления ошибки, вызванной нелинейностью и шумом источника питания силового каскада с мостовой нагрузкой (BTL) безфильтрового цифрового усилителя мощности класса D, был предложен метод исправления ошибок, основанный на подавлении шума источника питания с прямой связью ( FFPSNS) и методы отрицательной обратной связи с обратной связью первого порядка (FCLNF).Этот метод построил контур LCLNF первого порядка для силового каскада и дополнительно снизил влияние шума источника питания на выход усилителя мощности за счет использования технологии FFPSNS, которая одновременно вносит шум источника питания в контур обратной связи. Процесс CMOS 0,35 мкм м используется для анализа и сравнения в Cadence. Результаты моделирования каденции показывают, что PSRR на частоте шума источника питания 200 Гц улучшается на 36,02 дБ. Компоненты, вызванные интермодуляционными искажениями (PS-IMD) источника питания, уменьшаются примерно на 15.57 дБ, а отношение сигнал / шум (SNR) усилителя мощности увеличено на 17 дБ. Общее гармоническое искажение + шум (THD + N ) усилителя мощности снижено до 0,02% с помощью FCLNF + FFPSNS.
1. Введение
В последние годы страна продвигала высокоэффективные и энергосберегающие технологии и поощряла усиление высокоэффективных и энергосберегающих технологических преобразований и ключевых технологических достижений. С появлением аудио- и видеооборудования для приложений с низким энергопотреблением цифровые усилители мощности звука класса D без фильтров имеют высокий КПД по мощности и простой интерфейс с источниками цифрового звука, которые отдают предпочтение исследователям в отрасли [1].И в 11 ключевых технологиях, оцененных IEEE Spectrum за последние десять лет, прогнозируется, что высокоэффективные аудиоусилители класса D в конечном итоге объединят рынок аудиоусилителей [2]. Однако собственное неидеальное состояние и шум источника питания могут вызвать серьезные искажения выходного сигнала усилителя мощности.
Цифровые усилители мощности класса D привлекают все большее внимание из-за их преимуществ высокой энергоэффективности, простоты трансплантации системы и устойчивости к внешним помехам [3].Традиционный цифровой усилитель мощности класса D обычно состоит из цифрового модулятора сигнала переключения, силового каскада и аналогового фильтра нижних частот с индуктивным конденсатором (LC). Модулятор цифровых коммутационных сигналов в основном использует реализацию технологии широтно-импульсной модуляции с равномерной выборкой (UPWM). LC-фильтр нижних частот традиционного цифрового усилителя мощности класса D занимает около 75% объема всей системы усилителя мощности и потребляет около 30% стоимости, что серьезно затрудняет портативное применение цифровых усилителей мощности класса D [4 ].Цифровой усилитель мощности класса D без фильтра, являющийся новым типом цифрового усилителя мощности класса D, может заставить громкоговоритель работать без необходимости использования LC-фильтра нижних частот с помощью специальной технологии модуляции и поддерживать высокую энергоэффективность, чтобы соответствовать требованиям потребности цифрового звука с развитием миниатюризации оборудования; Цифровой усилитель мощности класса D без фильтра стал горячей точкой исследований в области современных усилителей мощности [5].
Для того, чтобы цифровой усилитель мощности звука класса D достиг высокого коэффициента подавления подачи питания (PSRR), интермодуляционных искажений, вызванных источником питания (PS-IMD), отношения сигнал / шум (SNR) и общего гармонического искажения + Шум (THD + N ), два больших источника ошибок должны быть скорректированы на неидеальность и шум источника уровня мощности, вносимый уровнем мощности [6].
Для цифровых усилителей мощности класса D без фильтров ошибки, вызванные нелинейностью и неидеальными условиями работы силового каскада, особенно ошибки, вызванные шумом источника питания силового каскада, серьезно влияют на выходные характеристики усилителя мощности. [7, 8]. Хотя коэффициент отклонения источника питания усилителя мощности (PSRR) теоретически может достигать бесконечности, когда верхний и нижний полумосты силового каскада с мостовой нагрузкой (BTL) усилителя мощности полностью согласованы, помехи источника питания вызваны шум источника питания.Модуляционные искажения (PS-IMD) по-прежнему велики. В ответ на эту проблему Donida et al. [7] и Mostert et al. [8] подали выходной сигнал усилителя мощности на вход усилителя мощности, установив глобальный замкнутый контур отрицательной обратной связи, включающий в себя модулятор цифрового переключающего сигнала и силовой каскад. Предварительная коррекция выполняется в оконечном или коммутационном модуляторах сигнала для достижения цели коррекции ошибки уровня мощности, но требуется дополнительный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), что приводит к значительному увеличению стоимости системы.Chen et al. [9] и Cellier et al. [10] построили локальный замкнутый контур отрицательной обратной связи (LCLNF), содержащий только уровень мощности, чтобы исправить ошибку уровня мощности. Этот метод обеспечивает систему. В стабильном состоянии способность подавлять шум источника питания уровня мощности слабая. Таким образом, в настоящее время существует меньше методов коррекции ошибок для силового каскада цифрового усилителя мощности класса D без фильтров, а существующий метод коррекции ошибок силового каскада цифрового усилителя мощности класса D может иметь более высокую стоимость реализации, или силовой каскад ошибка питания.Корректирующая способность слабая.
Стремясь к двум указанным выше основным источникам ошибок, Донг Джун Ли и Джинхо Но и др. использовали технологию локальной отрицательной обратной связи, чтобы установить модуль подавления шума уровня мощности между модулятором сигнала переключения и уровнем мощности, но это привело бы к увеличению частоты переключения уровня мощности [11, 12]. Также используются схемы аналогового контура управления с отрицательной обратной связью и технология предварительной коррекции шума источника питания на уровне мощности [13–15].Схема сложна и требует использования АЦП для преобразования шума источника питания в цифровые сигналы. В [16] предлагается технология шума с прямой связью для аудиоусилителя класса D с односторонней выходной структурой (SE), но этот метод применяется к аудиоусилителю класса D с выходной структурой SE, и система содержит внешнюю LC low -проходной фильтр. В данной статье разрабатывается метод коррекции ошибок с обратной связью первого порядка с обратной связью (FCLNF) для безфильтрового цифрового усилителя мощности аудио класса D с мостовой нагрузкой (BTL) и FCLNF, подходящего для цифрового класса без фильтров. D аудиоусилитель мощности BTL, силовой каскад плюс метод коррекции ошибок с подавлением шума источника питания с прямой связью (FCLNF + FFPSNS).
2. Коррекция ошибок FCLNF + FFPSNS
Силовой каскад класса D является одним из ключевых модулей безфильтрового цифрового усилителя класса D. Его функция заключается в усилении слабого сигнала ШИМ для управления динамиком с низким сопротивлением. Его входной и выходной сигнал являются цифровыми сигналами ШИМ. Поскольку пульсационный шум, содержащийся в источнике питания, и неидеальное состояние самого силового каскада влияют на качество выходного сигнала, необходимо выполнить коррекцию ошибок в силовом каскаде без обратной связи.
Цифровой аудиоусилитель мощности класса D без фильтров, в основном состоит из цифрового модулятора UPWM и силового каскада BTL. Первая часть является цифровой, а вторая — аналоговой. Его структура показана на рисунке 1. Из рисунка 1 видно, что цифровой аудиоусилитель мощности класса D без фильтров можно разделить на модулятор UPWM, силовой каскад BTL с разомкнутым контуром и громкоговоритель в целом. Модулятор UPWM представляет собой цифровую схему, а силовой каскад BTL без обратной связи представляет собой аналоговую схему.Модулятор UPWM состоит из цифрового интерполяционного фильтра, синфазного буфера и буфера инвертированного единичного усиления, сигма-дельта модулятора и генератора UPWM.
2.1. Принцип анализа исправления ошибок FCLNF
Схема FCLNF состоит из модуля компенсации, модуля ремодуляции, уровня мощности BTL и некоторых пассивных компонентов [3, 17]. Его схема и эквивалентная модель показаны на рисунке 2. Здесь и представлены входные сигналы, а — синфазное напряжение или опорное напряжение.
и являются передаточными функциями от входного сигнала до инвертирующего входа интегратора. и — коэффициенты усиления интегратора верхнего и нижнего мостов соответственно. и — коэффициенты обратной связи верхнего и нижнего мостов соответственно. и — объединенное линейное усиление уровня мощности и модуля ремодуляции.
В идеальных условиях, если отклонение между двумя путями обратной связи составляет.
Коэффициент рассогласования между сопротивлениями равен, коэффициент рассогласования между конденсаторами равен и эквивалентен
. PSRR усилителя мощности с использованием метода FCLNF составляет
2.2. Принцип анализа исправления ошибок FCLNF + FFPSNS
FFPSNS подает шум источника питания силового каскада на внешний модуль силового каскада для предварительной коррекции с помощью определенных средств. Схема управления с прямой связью вычитает шум источника питания с прямой связью из входного сигнала ШИМ, а затем количественно оценивает шум источника питания через компаратор. Шум источника питания преобразуется в эффективный рабочий цикл сигнала ШИМ, чтобы достичь цели коррекции шума источника питания.Это предложение состоит из модуля FCLNF, модуля FFPSNS, модуля ремодуляции и уровня мощности BTL [18, 19]. Его принципиальная схема и эквивалентная модель показаны на рисунке 3.
Входные сигналы верхнего и нижнего полумостов порта питания в усилителе мощности находятся соответственно. — синфазное напряжение или опорное напряжение. сопротивление обратной связи. и — выходные сигналы интегратора. и — выходные сигналы модуля FFPSNS. ,,, и,,, имеют одинаковый физический смысл и ценность.
и являются передаточными функциями от входного сигнала до инвертирующего входа интегратора. и — коэффициенты усиления интегратора верхнего и нижнего мостов соответственно. и — коэффициенты обратной связи верхнего и нижнего мостов соответственно. и — объединенное линейное усиление уровня мощности и модуля ремодуляции. — масштабный коэффициент шума источника питания. и являются передаточной функцией прямого канала.
В идеальных условиях,, и если отклонение между двумя путями обратной связи составляет.
Расхождение между теорией и реальной ситуацией составляет. Коэффициент рассогласования между сопротивлениями равен, коэффициент рассогласования между конденсаторами равен и эквивалентен.
PSRR усилителя мощности, использующего метод FCLNF + FFPSNS, составляет
2.3. Схема улучшенного метода коррекции ошибок
Складной каскодный двухкаскадный компенсирующий операционный усилитель Миллера с двойным входом и одним выходом, используемый в этой статье, показан на рисунке 4.
На основе предложенного метода коррекции ошибок силового каскада, Реализована схемная реализация безфильтрового цифрового усилителя мощности класса D BTL силового каскада с коррекцией ошибок.Из рисунка 1 видно, что операционный усилитель и компаратор напряжения являются ключевыми модулями для этого метода. В операционном усилителе используется каскодная двухступенчатая архитектура компенсации Миллера с двойным входом и одним выходом, как показано на рисунке 4. На рисунке показано напряжение источника питания; ,,, — напряжения смещения операционного усилителя; — выходной сигнал операционного усилителя; и — входные сигналы операционного усилителя; — конденсатор компенсации Миллера; и сопротивление есть.При параллельном подключении для повышения стабильности операционного усилителя ширина полосы единичного усиления и запас по фазе операционного усилителя составляют 13 МГц и 70,3 ° соответственно, а коэффициент усиления без обратной связи составляет 109,9 дБ, а PSRR на 100 Гц составляет 95 дБ. В операционном усилителе с прямой связью также используется архитектура, показанная на рисунке 4, с полосой пропускания с единичным усилением и запасом по фазе 10 МГц и 68 ° соответственно.
Схема компаратора напряжения относительно проста, и его схема показана на рисунке 5.На рисунке, и — входные сигналы компаратора напряжения, а — выходной сигнал компаратора напряжения. В компараторе используется двухступенчатая архитектура усиления. Первый каскад усиления использует структуру схемы дифференциального усилителя и дифференциальную схему для подавления синфазных помех. Усиление второго каскада использует каскодную схему для точного управления напряжением смещения. Выходной каскад использует двухтактный выход для увеличения управляющей способности выхода, в то время как добавление инвертора к выходному каскаду может увеличить время отклика компаратора.После моделирования выходной сигнал компаратора имеет время нарастания 560 пс и время спада 720 пс.
2.4. Моделирование и анализ результатов
Чтобы проверить эффект коррекции ошибок вышеупомянутой схемы, маршрут эксперимента по моделированию, принятый в этой статье, показан на рисунке 6. Экспериментальное моделирование в этой статье основано на Matlab и Cadence. В частности, Matlab используется для генерации двух источников сигнала ШИМ, необходимых для моделирования каденции, а данные сигнала, экспортируемые Matlab, сохраняются как.dat файл. В Cadence модуль источника V используется для хранения данных формы сигнала в виде pwl в Cadence и использования их в качестве сигнала для источника моделирования Cadence. Схема управления FCLNF, содержащая уровень мощности BTL, была построена на платформе Cadence, а затем симулятор Cadence Spectre был использован для моделирования переходных процессов в системе. Наконец, после выборки в Cadence, импортируйте файл .csv в Matlab для анализа спектра и расчета производительности.
На этой схеме ASMC 0.35 мкм мкм CMOS-технология используется для проектирования и изготовления схемы на платформе Cadence. Условия моделирования: угол процесса mos_tt и температура 27 ° C. Схема управления FCLNF работает при напряжении источника питания 5 В постоянного тока, то есть 5 В, в то время как силовой каскад BTL работает при напряжении источника питания 10 В постоянного тока. VCM составляет половину рабочего напряжения цепи управления с отрицательной обратной связью, а в качестве нагрузки RL силового каскада BTL используется резистор 8 Ом. Входным сигналом усилителя мощности является 24-битный синусоидальный одночастотный цифровой сигнал (частота 1 кГц и амплитуда –5 дБ).Данные формы волны UPWM, сгенерированные Matlab, вводятся в схему моделирования через компонент в Cadence. Время моделирования переходного процесса составляет 42,7 мс. Форма выходного сигнала моделирования дискретизируется и экспортируется с интервалом 40,69 нс (частота дискретизации 24,6 МГц). Результат моделирования показан на рисунке 7.
На рисунке 7 после коррекции FCLNF PSRR усилителя мощности на частоте шума источника питания 200 Гц был равен 82,8 дБ, а PSRR увеличился на 36,02 дБ. PS-IMD усилителя мощности примерно равно -80.63 дБ, уменьшившись на 34,73 дБ. SNR был увеличен до 85,7 дБ, а характеристики SNR были намного выше, чем у выходного сигнала нескорректированной схемы (58,59 дБ), который улучшился на 27,11 дБ. Выходные THD + N усилителя мощности были снижены до 0,0356%, что намного меньше, чем выходное THD + N (0,464%) усилителя мощности без схемы коррекции. На рисунке показано, что PSRR усилителя мощности с коррекцией FCLNF + FFPSNS на частоте шума мощности 200 Гц составляет 84.3 дБ, что близко к показателям PSRR в FCLNF.
Влияние амплитуды шума источника мощности на характеристики усилителя мощности PSRR и PS-IMD показано на рисунках 8 и 9.
Амплитуда шума источника питания увеличилась с -90 дБ до -20 дБ. Независимо от того, откалиброван он или нет, PSRR усилителя мощности остался в основном неизменным с увеличением амплитуды шума источника питания, а PSRR, скорректированный FCLNF и FCLNF + FFPSNS, значительно выше, чем у нескорректированного.Характеристики PSRR двух схем коррекции в основном совпадают.
PS-IMD усилителя мощности не изменяется в зависимости от амплитуды шума источника питания. После коррекции FCLNF и коррекции FCLNF + FFPSNS, когда амплитуда шума источника питания мала (<-70 дБ), PS-IMD в основном не изменяется. Это связано с фоновым шумом в спектре выходного сигнала. Амплитуда интермодуляционных составляющих, создаваемых шумом источника питания и входным сигналом, в основном такая же, как амплитуда фонового шума.Однако по мере того, как амплитуда шума источника питания продолжает увеличиваться, PS-IMD усилителя мощности начинает увеличиваться, а характеристики PS-IMD ухудшаются. Это происходит из-за интермодуляционной составляющей, создаваемой шумом источника питания, и входной сигнал выше, чем фоновый шум, когда амплитуда шума источника питания увеличивается до определенной степени, а характеристики PS-IMD двух схем коррекции в основном эквивалентны.
На рисунке 10 сравниваются изменения PSRR усилителя мощности с частотой шума источника питания при использовании трех решений.Из рисунка 6 видно, что, вне зависимости от того, скорректировано оно или нет, PSRR усилителя мощности не изменится резко по мере увеличения частоты шума источника питания силового каскада, а PSRR усилителя мощности после коррекции с помощью LCLNF + FFPSNS и LCLNF значительно выше, чем PSRR нескорректированного усилителя мощности.
На рисунке 11 сравниваются изменения PS-IMD усилителя мощности с частотой шума источника питания при использовании трех схем.По мере увеличения частоты шума источника питания PS-IMD нескорректированного усилителя мощности становится относительно большим и в основном остается неизменным, в то время как PS-IMD усилителя мощности после коррекции с использованием LCLNF и LCLNF + FFPSNS медленно изменяется на низких частотах (<1000 Гц). На высоких частотах (> 1000 Гц) PS-IMD значительно увеличивается, что вызвано ограниченным произведением полосы усиления операционного усилителя в схеме коррекции, но PS-IMD меньше нескорректированного.В то же время PS-IMD усилителя мощности после коррекции LCLNF + FFPSNS значительно меньше, чем схема коррекции LCLNF.
Таким образом, PSRR усилителя мощности после коррекции LCLNF и LCLNF + FFPSNS в основном не зависит от амплитуды и частоты шума источника питания силового каскада. При изменении амплитуды и частоты шума источника питания силового каскада PS-IMD усилителя мощности после коррекции LCLNF + FFPSNS значительно ниже, чем после коррекции LCLNF.В то же время амплитуда шума блока питания силового каскада оказывает более значительное влияние на PS-IMD усилителя мощности, чем частота шума блока питания.
В одних и тех же экспериментальных условиях были сравнены и проанализированы две схемы коррекции. Результаты показывают, что по сравнению с нескорректированным уровнем мощности производительность PSRR на частоте шума источника 200 Гц улучшается на 36,02 дБ после коррекции FCLNF. Составляющая PS-IMD уменьшилась примерно на 34.73 дБ. Характеристики SNR улучшились на 27,11 дБ, а THD + N значительно снизился. По сравнению с использованием только схемы исправления ошибок FCLNF, характеристики усилителя мощности, использующего схему исправления ошибок FCLNF + FFPSNS, сопоставимы при частоте шума источника питания 200 Гц. Однако PS-IMD усилителя мощности снизился на 15,57 дБ. SNR был дополнительно улучшен на 17 дБ, а THD + N упал до 0,02%.
Доступность данных
Все данные о результатах, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарности
Эта работа была поддержана Key Problems in Science and Technology провинции Henan (172102310671), Anyang Science and Technology Project и Anyang Institute of Technology Cultivation Project (YPY2019004), а также Key Discipline Project Министерства образования Хэнань (2018 [ №: 119]).
TL494 Схема усилителя класса D | Усилитель 500 Вт
DIY Схема усилителя мощностью 500 Вт класса D с использованием микросхемы TL494.это коммутационный усилитель tl494 класса d с высоким КПД. Вы можете использовать его в качестве автомобильного сабвуфера. TL494 — это микросхема ШИМ, обеспечивающая высококачественный сигнал, который помогает генерировать высококачественные аудиосигналы.
Принципиальная схема и бесплатная разводка печатной платы доступны здесь. Если вы хотите сделать эту плату усилителя, просто скачайте pdf-файл с макетом печатной платы, распечатайте его на глянцевой бумаге и сделайте это самостоятельно.
Схема усилителя TL494, 500 Вт, класса D, Схема усилителяTL494 и свободная разводка печатной платы.
Схема представляет собой простую и высокоэффективную схему усилителя, обеспечивающую выходную мощность до 500 Вт. Микросхема PWM будет подавать сигналы на компаратор и обрабатывать аудиосигналы на выходном каскаде.
Вы также проверите Схема звукового усилителя мощностью 200 Вт
Усилитель рабочий класса D
Типичный усилитель класса d состоит из схемы генератора пилообразных сигналов. компаратор, схема переключения и секция фильтра нижних частот.
Генератор пилообразных сигналов будет формировать высокочастотные пилообразные сигналы для дискретизации входных аудиосигналов.
Компараторы работают с микшированием входных сигналов с пилообразной формой волны.
Схема переключения выполняет свою работу по обеспечению усиления по току и напряжению, которые необходимы для схемы усилителя.
Фильтр нижних частот Эта схема отфильтровывает нежелательные сигналы от схемы переключения.
макет платы усилителя класса dНеобходимые компоненты
- Tl494 — 1
- IRF 540 MOSFET — 2
- 1000 мкФ конденсатор 63 В — 2
- 1000 мкФ конденсатор 50 В — 1
- Транзистор Bd 139 — 2
- Транзистор Bd 140 — 1
- 1N4148 диод конденсатор — 1
- Конденсатор 10 мкФ — 2
- Конденсатор 1н — 2
- Конденсатор 152 пФ — 1
- Резистор 1 кОм — 1
- Резистор 47 кОм — 2
- Резистор 10 кОм — 1
- Резистор 470 Ом — 2 9060 Резистор 2R2 — 1
- Резистор 8k2 — 1
- Конденсатор 2n2 — 1
- Резистор 56 Ом — 2
- источник питания (отдельный источник питания для смещения)
Вам также может понравиться Схема усилителя звука мощностью 1000 Вт
