Усилитель д класса схема. Усилитель класса D: принцип работы, преимущества и современные разработки

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.

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

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 катушки индуктивности за один период переключения должен быть равен 0. Используя уравнение 2 и анализируя форму волны 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, решение для 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 шумовая составляющая 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 постоянного тока, 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 R9.0018 НА и С _НА . Как только задержанный выход вентиля ИЛИ-НЕ превышает указанный порог, переключатели SW1 и SW2 закрываются. Это приводит к тому, что OUT+ и OUT- переходят в низкий уровень и остаются такими до начала следующего периода выборки. Эта схема вызывает включение обоих выходов на минимальное время (t _ON(MIN) ), которое устанавливается значениями R _ON и C _ON . Как показано на рис. 8, при нулевом входе выходы синфазны с длительностью импульса, равной t _{ВКЛ(МИН)} . Когда входные аудиосигналы увеличиваются или уменьшаются, один компаратор срабатывает раньше другого. Такое поведение, наряду со схемой минимального времени включения, заставляет один выход изменять ширину импульса, в то время как ширина другого выходного импульса остается равной t _ON(MIN) (рис. 8). Это означает, что среднее значение каждого выхода содержит полуволновую выпрямленную версию выходного аудиосигнала. Получение разности средних значений выходных сигналов дает полную форму выходного звукового сигнала.

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

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

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

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

Минимизация электромагнитных помех с помощью модуляции с расширенным спектром

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

Усилитель мощности звука класса D

Усилители мощности класса D, одно из наиболее важных устройств для применения в звуковых системах, сталкиваются с серьезными проблемами из-за растущего спроса на смартфоны, цифровое телевидение, цифровой звук и другие терминалы. Усилитель мощности звука превратился из транзисторного усилителя в ламповый усилитель на полевом эффекте, а цифровые усилители добились значительного прогресса в схемотехнике, компонентах и ​​идеологическом понимании. Камнями преткновения для успешного усилителя мощности являются низкая энергоэффективность и высокий уровень искажений.

1. Введение

Усилитель мощности представляет собой тип электронного усилителя, предназначенного для увеличения величины мощности заданного входного сигнала. Схема усилителя мощности звука является важной ветвью усилителя мощности, одного из основных компонентов звуковой системы. Он разработан как последний блок в цепочке аудиоусилителя для увеличения входного сигнала до уровня, достаточного для управления нагрузками. Он прошел долгий путь под влиянием стремительного развития интегральных схем в последние десятилетия.

Рынок усилителей мощности определяется растущим спросом на мобильные аудиоустройства, растущим распространением бытовой электроники во всем мире, растущей привлекательностью автомобильных информационно-развлекательных систем и растущим рынком высококачественных аудиоустройств. Согласно отчету ^[1] , «Ожидается, что объем рынка аудиоусилителей вырастет с 3,4 млрд долларов США в 2019 году до 4,4 млрд долларов США к 2024 году при среднегодовом темпе роста 5,6% с 2019 по 2024 год». Большой рынок делает модернизацию и улучшение аудиоусилителей очень важными.

Сравнение энергоэффективности аудиоусилителей показано на Рис. 1 . Традиционные аналоговые усилители мощности можно разделить на класс A, класс B, класс AB и другие формы в зависимости от различных условий работы. Эти типы усилителей имеют высокую точность воспроизведения, что означает, что они могут обеспечить превосходное качество звука. Однако эффективность преобразования мощности линейных и нелинейных усилителей чрезвычайно низка. Появление усилителей класса D решает эту проблему. Усилитель класса D был впервые разработан в 1958 ^[2] . По сравнению с линейными усилителями мощности (класс A) и нелинейными усилителями (класс AB, класс B, класс C) ^{[3] [4]} основным преимуществом импульсных усилителей класса D является их теоретическая 100% энергоэффективность ^[5] . Энергоэффективность усилителей класса D при максимальном индексе модуляции обычно превышает 90% ^[6] . Напротив, энергоэффективность линейных усилителей, таких как усилители мощности класса B и класса AB, составляла всего 70% или меньше. Вот почему усилитель класса D в настоящее время является лучшим выбором для коммерческих аудиоусилителей и постепенно заменяет линейные аналоги.0198 [7] .

Рисунок 1. Сравнение эффективности каждого усилителя ^{[2] [8] [9]} .

Коммутационное устройство в выходном каскаде является ключевым моментом в истории развития усилителей класса D. Германиевые транзисторы были частью ранней конструкции усилителя класса D, но оказались непригодными для топологии переключения, поэтому ранние конструкции усилителей не увенчались успехом. Тем не менее, благодаря появлению технологии MOSFET, инженеры снова разработали относительную технологию конструкции класса D. Усилитель класса D в настоящее время широко используется в различных областях, таких как телевизоры с плоским экраном и автомобильные блоки управления звуком. В усилителях класса D используется пара переключающих устройств для двухтактной конфигурации.

Производительность коммутационного устройства напрямую влияет на энергоэффективность и точность аудиосистемы. Из-за ограниченных характеристик материала трудно улучшить общую производительность существующих устройств на основе кремния за счет улучшения структуры устройства и производственного процесса ^{[5] [10]} . Следовательно, необходимы новые высокопроизводительные силовые устройства в качестве заменителей для достижения более высокой эффективности преобразования, что требует незначительной проводимости и меньших коммутационных потерь для соответствия случаям с переменной частотой.

2. Топологии для усилителей класса D

Топологии усилителя представляют собой базовую структуру, которая зависит от режима работы и таких параметров, как энергоэффективность и степень искажения. Исследователи анализируют топологическую модель усилителя класса D, чтобы определить преимущества и недостатки, перечисляют примеры стандартной конструкции усилителя и обеспечивают основу для улучшения усилителя.

Широко распространенный аналоговый усилитель класса D с обратной связью охватывает интеграторы, модуляторы, выходные каскады, фильтры нижних частот и громкоговорители ( Рисунок 2 ). На первом этапе интеграторы и фильтры обеспечивают высокое усиление петли и ослабляют нежелательные составляющие несущей в петле. Фильтр нижних частот всегда устанавливается между выходной моделью и громкоговорителем, чтобы уменьшить EMI (электромагнитные помехи) и исключить энергию экстраординарной частоты, которая преобразуется в ^{[11] [12]} .

Рис. 2. Блок-схема аудиоусилителя.

Транзисторы, работающие в области насыщения или линейной области, ограничивают энергоэффективность линейного усилителя из-за значительных падений напряжения, вызванных большим током, что приводит к значительным потерям мощности, что сильно влияет на эффективность. Усилители класса D имеют уникальную топологию, которая рассеивает меньшую мощность, чем упомянутые выше линейные усилители. Выходной каскад работает, переключаясь между положительным и отрицательным и производя серию импульсов напряжения, в то время как выходной транзистор не имеет тока без переключения и низкого напряжения V _ДС при управлении током, таким образом образуя меньшие I _ДС ^[13] . Топология усилителей класса D показана на рис. 3 a; аналоговые аудиосигналы дискретизируются и генерируются сигналы с широтно-импульсной модуляцией. Эти сигналы используются для управления выходными переключателями. Сигналы, генерируемые выходным каскадом, будут фильтроваться схемой фильтрации или самим динамиком и преобразовываться в звуковые сигналы.

Рис. 3. Топология и волна ( a ) форма для усилителя класса D и конструкции на основе GaN ( b ) ^[14] .

Характеристики усилителя класса D выдающиеся на средней и высокой выходной мощности. Однако из-за потерь в силовых устройствах КПД будет самым низким, если выходная мощность недостаточна. Некоторые усилители класса D работают в двух режимах, чтобы преодолеть эту проблему. Многоступенчатый метод ограничивает выходное напряжение, на которое может переключиться устройство питания при воспроизведении звука с низким уровнем громкости. Как только выходная громкость достигает установленного порога, шина выходного напряжения коммутатора увеличивается, чтобы обеспечить полное колебание напряжения. Технология переключения при нулевом напряжении (ZVS) может использоваться при низком уровне выходной мощности, а жесткое переключение — при высоком уровне мощности, что помогает уменьшить влияние коммутационных потерь ^{[15] [16]} .

Выходной каскад является основой усилителя мощности. На рис. 4 показан базовый выходной каскад с линейным переключателем на основе КМОП (комплементарных металлов, оксидов и полупроводников), который усиливает ток сигнала до большого тока, который может управлять громкоговорителями, добавляя энергию постоянного тока к слабому ветру на входе через триод. В традиционных транзисторных усилителях выходной каскад содержит транзистор, обеспечивающий непрерывный мгновенный выходной ток. Многие линейные аудиоусилители содержат усилители класса A, класса AB и класса B. По сравнению с цифровыми усилителями и усилителями класса D потребляемая мощность значительна даже в наиболее эффективной линейной области. Это разнообразие делает усилители класса D чрезвычайно полезными во многих приложениях. Более низкое энергопотребление приводит к меньшему выделению тепла, экономит место и затраты, а также продлевает срок службы мобильных систем.

Рис. 4. Выходной каскад с линейным переключателем CMOS.

3. Усилитель класса D на основе нитрида галлия

В случае мобильных устройств с ограниченной емкостью батареи эффективность работы является важнейшим показателем конструкции. Хотя усилитель класса D имеет преимущество в энергопотреблении по сравнению с другими усилителями, он по-прежнему страдает от низкой точности воспроизведения, в основном из-за коммутационных искажений.

Процессоры усилителей класса D производят небольшие высокочастотные сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые представляют собой слуховой сигнал. Мощный транзистор преобразует слабые сигналы в значимые сигналы в полумостовой или полномостовой конфигурациях и пропускает динамик через фильтр. Увеличение частоты принятия и частоты переключения выходного каскада может значительно увеличить звук, поскольку каждый импульс представляет собой прямоугольную волну. Энергия теряется из-за потерь при переключении и потерь проводимости в каждом цикле переключения, таким образом, балансируя качество звука, рабочую частоту и энергопотребление ^[17] . Коммутационные потери — еще один фактор, требующий надлежащего рассмотрения. Таким образом, существенным компонентом усилителя класса D является коммутационное устройство, качество которого напрямую определяет силу каждого показателя усилителя (примерами являются SNR, THD и TID (переходные интермодуляционные искажения)). Усилители класса D должны использовать интегральные схемы обратной связи для компенсации плохих характеристик разомкнутого контура, чтобы выполнить цели по искажению (THD + N, TIM и IM), которые требуются для высококачественного звука.

Источником этого искажения являются силовые МОП-транзисторы на основе Si. Таким образом, основной целью прогрессивного усилителя класса D является улучшение структуры переключения. Отличным выбором для MOSFET или IGBT является устройство GaN или устройство SiC ^[18] .

3.1. Преимущества GaN Power Device

После десятилетий интенсивных разработок силовые устройства на основе Si приближаются к предельным возможностям материалов с точки зрения производительности. Силовые устройства на основе широкозонных полупроводников с более высоким критическим полем пробоя желательны для дальнейшего повышения производительности устройства и, следовательно, эффективности преобразования энергии. Исследования силовых устройств ведутся уже много лет. Появление полупроводников с широкой запрещенной зоной (WBG) на основе нитрида галлия (GaN) или карбида кремния (SiC) позволяет усилителям класса D достигать выдающихся характеристик в отношении искажений и полосы пропускания ^[19] . Согласно ^[20] , GaN-устройства имеют то преимущество, что работают при более высоких напряжениях и меньших токах утечки, чем Si-устройства. По сравнению с Si первого поколения и GaAs второго поколения устройства GaN и SiC третьего поколения имеют небольшое сопротивление в открытом состоянии, высокую скорость переключения и характеристики при высоких напряжениях. Устройство GaN имеет скорость вакуумного насыщения в 2,8 раза больше, чем устройства Si, что делает его сопротивление в открытом состоянии и потери проводимости намного ниже, чем у устройств Si. Емкость общего перехода GaN-приборов обеспечивает частоту переключения до уровня МГц. Ширина запрещенной зоны GaN-устройства намного меньше, чем у кремниевых, поэтому критическое электрическое поле пробоя достигает 3,3 МВ/см; следовательно, он имеет более высокое напряжение. Сравнение параметров GaN-устройства и Si-устройства показано на рис. 9.0202 Таблица 1 . Большая ширина запрещенной зоны и изолирующее поврежденное электрическое поле снижают сопротивление проводимости устройства и улучшают его общие характеристики. В результате высокая скорость электронного насыщения и высокая подвижность носителей позволяют устройству работать на высоких скоростях ^{[21] [22]} . Более того, GaN-транзисторы имеют больше применений благодаря более высокой динамике переключения и меньшему количеству паразитных элементов в своих корпусах. Эксперименты в ^[23] показали, что устройства GaN могут привести к более высокой мощности и более низкому THD в усилителях класса D. Устройства GaN играют важную роль во многих областях, особенно в повышении энергоэффективности. Вполне возможно, что эти устройства могут также инициировать революцию в области усилителей мощности звука 9.0198 [24] ^[25] .

Таблица 1. Сравнение характеристических параметров различных полупроводниковых материалов.

Как показано на рис. 5 , транзисторы GaN HEMT аналогичны клеммам Si MOSFET, но имеют затвор, сток и исток ^[26] . Это также указывает на то, что GaN HEMT имеет функции, аналогичные Si MOSFET, и может заменить силовые элементы в усилителях класса D. Они достигают мизерного сопротивления с помощью двумерного электронного газа (2DEG) между затвором и истоком и могут быть эффективно закорочены благодаря наличию электронного пула ^[27] . Затвор p-Gan прекратит проводимость, пока отсутствует смещение затвора (VGS = 0 В). Gan HEMT — это двунаправленное устройство, в отличие от кремниевых устройств. Следовательно, обратный ток может возникнуть, если напряжение стока упадет ниже напряжения истока. Транзисторы Gan HEMT имеют то преимущество, что имеют чистую форму импульса переключения — в основном, отсутствие объемных диодов, обычно встречающихся в Si MOSFET, которые ответственны за большую часть шума переключения, связанного с PN-переходом ^[28] . Если усилитель работает в режиме переключения при нулевом напряжении, потери при переключении и потери мощности могут быть эффективно устранены, поскольку выходной трансформатор реализован путем преобразования тока индуктивности. В настоящее время большинство силовых GaN-устройств имеют плоскую структуру, подобную рис. 5 . Если подложка в этой структуре имеет незначительное решеточное и термическое рассогласование с материалом GaN, может быть реализован неравномерный фазовый денотативный рост GaN. Силовые устройства GaN, содержащие кремний для подложки, имеют отработанную технологию и низкую стоимость, что является оптимальным решением для силовых устройств усилителей класса D ^{[29] [30]} .

Рис. 5. Структура для классического GaN HEMT.

3.2. Анализ GaN-усилителя класса D

В таблице 2 представлены несколько типичных усилителей мощности, использующих GaN-устройства, которые характеризуются высокой энергоэффективностью и низким THD. Плотность мощности полупроводников GaN более чем в десять раз выше, чем у транзисторов с диффузионным металл-оксидом-полупроводником (LDMOS), используемых в обычных усилителях мощности, с более высокой плотностью мощности и эффективностью. Если исследователи используют GaN для создания IP, они могут получить большую мощность при том же размере и меньший размер при той же мощности. Для высокомощных и эффективных усилителей мощности звука лучшим выбором являются GaN HEMT, использующие потери мощности, плотность мощности и скорость отклика. По сравнению с традиционными кремниевыми МОП-транзисторами, GaN HEMT имеют более высокую скорость, стоимость пахотных земель, а также лучшую производительность и тепловую эффективность.

Таблица 2. Параметры усилителя GaN класса D.

Учитывая критические показатели усилителей класса D, устройства GaN имеют соответствующие преимущества или недостатки.

3.2.1. Энергоэффективность и искажения

Во многих статьях упоминаются преимущества GaN-устройств по сравнению с MOSFET и IGBT, особенно в ^[40] . Кроме того, в ^[41] сравнивается эффект 60-вольтового GaN-устройства и Si-устройства аудиоусилителя класса D, и делается вывод, что удельная мощность GaN-устройства питания намного выше, чем Si-устройство. В ^[34] описывается эффект GaN-транзисторов в обычных усилителях мощности, обеспечивающий экономию энергии более чем на 30%, а также более высокую удельную мощность и эффективность. По сравнению с традиционным Si MOSFET, GaN FET имеет более высокую скорость, более низкую стоимость и тепловую эффективность. Хотя усилитель класса D, разработанный в ^[37] , имеет КПД всего 85,8%, это связано с тем, что номинальная схема транзистора, используемого в этой конструкции, намного больше, чем требуется схеме, и более высокая мощность может быть получена с более высокой мощностью. более подходящий полевой транзистор.

Уровень мощности усилителей класса D направлен на достижение точного воспроизведения сильного сигнала от слабых источников сигнала при одновременном снижении потерь энергии. Лучшие переключающие свойства полевых транзисторов на основе GaN обеспечивают формы сигналов, которые ближе к желаемым идеальным формам сигналов, чем могут быть достигнуты с помощью кремниевых Mofette. Это существенное преимущество GaN-устройств, которые могут переключаться в 1000 раз быстрее, чем кремниевые полевые транзисторы. Технический документ о системах GaN дает количественную оценку этого превосходного качества звука, показывая, что усилители класса D на основе GaN могут давать общее гармоническое искажение (THD) всего 0,004 % по сравнению с 0,015 % для кремниевых продуктов ^{[43] [44]} . Усилитель PDM 25 Вт класса D с элементами GaN и Si в качестве выходного каскада протестирован и сравнен в ^[45] . Результаты испытаний показывают, что при выходной мощности менее 20 Вт искажения усилителя мощности на основе GaN-прибора на 0,15 % ниже, чем у усилителя мощности на основе Si, а КПД по мощности на 15 % выше. Кроме того, при более низких частотах переключения (360 кГц) характеристики искажений и энергоэффективность двух выходных каскадов аналогичны. При более высоких частотах переключения (>1,1 МГц) выходной каскад GaN имеет значительные преимущества ^[46] .

Кроме того, в режиме переключения при нулевом напряжении выход изменяется посредством коммутации индуктивного тока. Следовательно, любые коммутационные потери в коммутационном устройстве и результирующие потери мощности могут быть устранены. Однако, чтобы избежать прострела между двумя устройствами, необходимо добавить небольшую задержку гашения, чтобы гарантировать, что выключенное состояние периода переключения сохраняется до тех пор, пока не будет введено включенное состояние следующего периода переключения. форма выходного сигнала отличается от формы сигнала, ожидаемого на выходе ШИМ, что приводит к искажению аудиосигнала. Время задержки холостого хода зависит от выходной емкости Coss используемого силового устройства. По сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами GaN-транзисторы имеют значительно более низкий показатель Coss, что означает, что время задержки гашения может быть сведено к минимуму, что сводит к минимуму искажения.

Таким образом, удельная мощность, энергоэффективность и преимущества частоты переключения указывают на то, что устройства на основе GaN обеспечивают меньшую занимаемую площадь, меньшее тепловое излучение и длительный срок службы, что устраняет прямое противоречие между энергоэффективностью и качеством звука. Однако стоимость и отсутствие специальной интегральной схемы усилителя класса D являются недостатками устройств GaN.

3.2.2. Теплопроводность

Нагрев является одной из основных проблем устройств GaN из-за высокой плотности мощности. Из-за высокой проводимости SiC распространенный метод выращивания GaN на подложке SiC заключается в ограничении температуры GaN HEMT не выше максимальной температуры ^[3] . Некоторые варианты, описанные в литературе, такие как выходной каскад GaN, приводят к снижению производительности после воздействия высокой температуры, что является существенным недостатком устройств GaN ^{[46] [47]} . Однако рост GaN включает в себя определенные переходные слои, обычно включающие сплавы GaN и AlN, которые имеют худшую теплопроводность из-за рассеяния фононов, вызванного беспорядком. В некоторых случаях фактором, ограничивающим производительность GaN, может быть его теплопроводность, а не его электронные свойства. Таким образом, рассеивание тепла аудиосистем с использованием GaN-устройств будет одним из следующих направлений исследований. Программа TMT (Thermal Management Technologies) представляет несколько технологий охлаждения для управления теплом в полупроводниках, таких как подключенные и встроенные технологии охлаждения ^{[48] [49] [50]} . Температура перехода устройств GaN обычно создается на стороне стока затвора, и по этой причине решения по управлению температурным режимом должны быть сосредоточены на области нагрева.

В ^{[51] [52]} рекомендуются методы встроенного микрофлюидного охлаждения вблизи перехода, которые дают отличный эффект. Эта технология уже подходит для замены традиционных методов пассивного дистанционного охлаждения.

В ^[52] исследовалась возможность использования алмаза в качестве подложки для устройств GaN. В ^[53] внутричиповое охлаждение на основе алмазной микрофлюидики использовалось для воздействия на отток тепла от модели с низкой теплопроводностью. Кроме того, в ^[54] изучались охлаждающие эффекты активных и пассивных методов охлаждения устройств GaN с SiC в качестве подложки и алмазом в качестве подложки.

3.2.3. EMI

Высокая скорость переключения GaN-устройств ухудшает электромагнитные помехи в усилителе. Было много статей, посвященных электромагнитным помехам, создаваемым GaN в преобразователях, и их влиянию, например 9.0198 [55] ^{[56] [57] [58] [59]} :

10 дБ. Предлагаются некоторые схемы снижения электромагнитных помех, такие как выбор исходного ^[60], модификация топологии схемы преобразователя ^[59] или усовершенствование фильтра ^[59].