Схемотехника усилителей класса d. Усилители класса D: принцип работы, преимущества и современные разработки

Как работают усилители класса D. Какие у них преимущества по сравнению с линейными усилителями. Каковы последние разработки в области усилителей класса D. Какие проблемы решают современные усилители этого класса.

Принцип работы усилителей класса D

Усилители класса D работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Основные компоненты такого усилителя:

• ШИМ-модулятор
• Выходной каскад на полевых транзисторах
• Фильтр нижних частот на выходе

Входной аудиосигнал сравнивается с высокочастотным треугольным или пилообразным сигналом. В результате формируется ШИМ-сигнал, в котором ширина импульсов пропорциональна амплитуде входного сигнала. Этот ШИМ-сигнал управляет переключением выходных транзисторов.

На выходе усилителя формируется прямоугольный сигнал с высокой частотой (обычно 250 кГц — 1.5 МГц). Фильтр нижних частот восстанавливает из него усиленный аудиосигнал.

Преимущества усилителей класса D

Основные преимущества усилителей класса D по сравнению с линейными усилителями:

• Высокий КПД (до 90-95%)
• Низкое тепловыделение
• Компактные размеры
• Возможность работы без радиатора
• Высокая выходная мощность при малых габаритах

Высокая эффективность достигается за счет того, что выходные транзисторы работают в ключевом режиме. Это минимизирует потери на них.

Последние разработки в области усилителей класса D

Современные усилители класса D решают ряд проблем, присущих ранним моделям:

• Устранение необходимости во внешнем выходном фильтре
• Снижение уровня электромагнитных помех
• Улучшение показателей THD+N
• Повышение устойчивости к пульсациям напряжения питания

Это достигается за счет применения усовершенствованных методов модуляции и использования отрицательной обратной связи.

Использование обратной связи в усилителях класса D

Многие современные усилители класса D используют отрицательную обратную связь от выхода ШИМ-модулятора на вход устройства. Это позволяет:

• Улучшить линейность усилителя
• Повысить устойчивость к пульсациям питания
• Снизить искажения

Однако применение обратной связи требует тщательной проработки схемы для обеспечения устойчивости во всех режимах работы.

Улучшение характеристик THD+N

Каковы способы улучшения показателя THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) в усилителях класса D?

Основные методы снижения THD+N:

• Применение более совершенных алгоритмов ШИМ
• Использование отрицательной обратной связи
• Повышение частоты переключения выходного каскада
• Оптимизация выходного фильтра
• Применение специализированных драйверов затворов транзисторов

Современные усилители класса D по показателю THD+N приближаются к линейным усилителям, сохраняя при этом преимущество в энергоэффективности.

Снижение уровня электромагнитных помех

Каковы основные способы снижения уровня электромагнитных помех (ЭМП) в усилителях класса D?

Для уменьшения ЭМП применяются следующие методы:

• Использование многоуровневой ШИМ
• Применение методов распределенного спектра
• Тщательное проектирование топологии печатной платы
• Оптимизация выходного фильтра
• Экранирование чувствительных узлов

Снижение уровня ЭМП позволяет во многих случаях отказаться от внешнего выходного фильтра, что упрощает конструкцию усилителя.

Применение усилителей класса D

В каких областях наиболее востребованы усилители класса D?

Основные сферы применения усилителей класса D:

• Портативная аудиотехника (наушники, беспроводные колонки)
• Автомобильные аудиосистемы
• Компактные домашние аудиосистемы
• Профессиональные усилители мощности
• Активные акустические системы

Высокая эффективность и компактность делают усилители класса D идеальными для применений, где критичны размеры, вес и время автономной работы.

Перспективы развития усилителей класса D

Каковы основные направления дальнейшего совершенствования усилителей класса D?

Перспективные направления развития:

• Повышение рабочей частоты для улучшения качества звука
• Интеграция усилителя и цифрового процессора обработки сигналов
• Дальнейшее снижение энергопотребления
• Уменьшение габаритов за счет новых технологий корпусирования
• Улучшение характеристик при работе на сложную нагрузку

Развитие технологий позволит усилителям класса D еще больше потеснить линейные усилители в различных применениях.

Схема усилителя класса D 4500Вт на драйвере IR2110

Содержание

1. Схема усилителя класса D 4500Вт
2. Схема усилителя:
3. Печатная плата усилителя:
4. Схема усилителя класса D — список деталей:

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
R5, R6= 10R
R7, R8=6K8/2W
R10, R21, R26, R27=4K7
R11, R17=6K8
R12=100R
R14, R15=4R7
R22, R23, R24, R25, R31, R33=47R
R28, R29, R30=0,1R/2W
R36, R38=22R/2W
R40=1K5/5W
R41=10R/2W
RV1=10K

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

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

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

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

Фото собранного усилителя:

Скачать: Печатная плата, схема усилителя

 Изготовление печатной платы усилителя:

Тест усилителя:

Источник: soundbass

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.

prostoj-usilitel-klassa-d.zip [36.52 Kb] (cкачиваний: 528)

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

Схема, работа, типы, эффективность и преимущества

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

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

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

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

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

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

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

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

Блок-схема

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

Блок-схема усилителя класса D

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

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

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

Усилитель класса D с использованием Tl494

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

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

Усилитель класса D с использованием Tl494

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

Рабочий

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

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

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

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

Типы усилителей класса D

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

Усилитель класса D с полумостовым усилителем

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

Усилитель класса D с полумостовым соединением

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

Усилитель класса D с полным мостом

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

Усилитель класса D с полным мостом

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

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

Характеристики

В этом разделе описаны характеристики усилителя класса D .

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

Преимущества и недостатки

Преимущества усилителя класса D :

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

Недостатки усилителя класса D :

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

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

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

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

Усилители класса D: основы работы и последние разработки

Скачать PDF

Abstract

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

Введение

Большинство инженеров-разработчиков аудиосистем хорошо осведомлены о преимуществах энергоэффективности усилителей класса D по сравнению с классами линейных аудиоусилителей, такими как классы A, B и AB. В линейных усилителях, таких как класс AB, значительная часть мощности теряется из-за элементов смещения и линейной работы выходных транзисторов. Поскольку транзисторы усилителя класса D используются просто как переключатели для управления током через нагрузку, минимальные потери мощности из-за выходного каскада. Любые потери мощности, связанные с усилителем класса D, в первую очередь связаны с сопротивлением выходного транзистора в открытом состоянии, потерями при переключении и накладными расходами по току покоя. Большая часть мощности, теряемой в усилителе, рассеивается в виде тепла. Поскольку в усилителях класса D требования к радиатору могут быть значительно уменьшены или устранены, они идеально подходят для компактных приложений с высокой мощностью.

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

Основы усилителей класса D

Несмотря на то, что в современных усилителях класса D используется множество топологий модулятора, в самой базовой топологии используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с треугольным (или пилообразным) генератором. На рис. 1 показана упрощенная блок-схема полумостового усилителя класса D на основе ШИМ. Он состоит из широтно-импульсного модулятора, двух выходных МОП-транзисторов и внешнего фильтра нижних частот (L _F и C _F ) для восстановления усиленного аудиосигнала. Как показано на рисунке, p-канальные и n-канальные полевые МОП-транзисторы работают как переключатели управления током, поочередно подключая выходной узел к V _DD и земле. Поскольку выходные транзисторы переключают выход либо на V _DD , либо на землю, результирующий выходной сигнал усилителя класса D представляет собой высокочастотный прямоугольный сигнал. Частота переключения (f _SW ) для большинства усилителей класса D обычно составляет от 250 кГц до 1,5 МГц. Выходная прямоугольная волна является широтно-импульсной модуляцией входного аудиосигнала. ШИМ достигается путем сравнения входного аудиосигнала с внутренним треугольным (или пилообразным) генератором. Этот тип модуляции также часто называют «естественной выборкой», когда генератор треугольной волны действует как тактовая частота выборки. Результирующий рабочий цикл прямоугольной волны пропорционален уровню входного сигнала. Когда входной сигнал отсутствует, коэффициент заполнения выходного сигнала равен 50%. На рис. 2 показана результирующая форма выходного сигнала ШИМ из-за изменения уровня входного сигнала.

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

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

Чтобы извлечь усиленный звуковой сигнал из этой волны ШИМ, выходной сигнал усилителя класса D подается на фильтр нижних частот. LC-фильтр нижних частот, показанный на рисунке 1, действует как пассивный интегратор (при условии, что частота среза фильтра как минимум на порядок ниже частоты переключения выходного каскада), выходной сигнал которого равен среднему значению прямоугольной волны . Кроме того, фильтр нижних частот предотвращает рассеивание высокочастотной энергии переключения в резистивной нагрузке. Предположим, что отфильтрованное выходное напряжение (V _{O_AVG} ) и ток (I _AVG ) остаются постоянными в течение одного периода переключения. Это предположение является достаточно точным, поскольку f _SW намного больше, чем самая высокая входная звуковая частота. Следовательно, связь между рабочим циклом и результирующим отфильтрованным выходным напряжением может быть получена с помощью простого анализа во временной области напряжения и тока катушки индуктивности.

Мгновенный ток, протекающий через индуктор:

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

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

В математических терминах это означает, что:

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

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

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

Наконец, нахождение V _O дает:

, где D — коэффициент заполнения сигнала переключения выхода.

Использование обратной связи для повышения производительности

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

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

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

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

Топологии класса D — полумост против полного моста

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

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

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

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

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

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

Устранение выходного фильтра — бесфильтровая модуляция

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

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

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

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

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

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

Минимизация электромагнитных помех с помощью модуляции с расширенным спектром

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

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

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

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

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

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

Заключение

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