Усилитель d класса. Усилители класса D: принцип работы, преимущества и особенности конструкции

Что представляют собой усилители класса D. Как они отличаются от других типов усилителей. Почему усилители класса D интересны для аудиотехники. Какие факторы важны при разработке усилителя класса D. Каковы особенности усилителей класса D от Analog Devices.

Принцип работы усилителей класса D

Усилители класса D используют совершенно иной принцип работы по сравнению с линейными усилителями. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния.

Поскольку звуковые сигналы заметно отличаются от последовательности импульсов, для преобразования входного сигнала в набор импульсов необходим модулятор. Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот.

Преимущества усилителей класса D

Главное преимущество усилителей класса D заключается в их высокой энергоэффективности. По сравнению с линейными усилителями классов A и B, усилители класса D имеют значительно меньшую мощность рассеяния во всем диапазоне выходных мощностей, особенно при низких и средних значениях.

Это различие имеет важные последствия для конструкции аудиосистемы:

• При уровне мощности более 1 Вт линейные усилители требуют специальных средств охлаждения, в то время как усилителям класса D они не нужны.
• При мощностях ниже 1 Вт усилители класса D позволяют существенно увеличить срок работы автономных источников питания в портативных устройствах.
• Усилители класса D позволяют уменьшить габариты и стоимость аудиоустройств.

Особенности конструкции усилителей класса D

При разработке усилителя класса D необходимо учитывать ряд важных факторов:

Выбор типоразмера выходных транзисторов

Типоразмер выходных транзисторов выбирается для оптимизации теплорассеяния во всех режимах работы. Это требует компромисса между низким сопротивлением во включенном состоянии и низкой емкостью затвора.

Защита выходного каскада

Выходной каскад должен быть защищен от следующих ситуаций:

• Перегрев
• Превышение абсолютной величины тока выходных транзисторов
• Низкое напряжение питания
• Одновременное включение верхнего и нижнего транзисторов

Обеспечение качества звучания

Для получения хорошего качества звучания усилителя класса D необходимо учесть следующие аспекты:

• Минимизация щелчков и треска при включении/выключении
• Обеспечение высокого отношения сигнал/шум
• Минимизация искажений
• Подавление помех от источника питания

Схемотехника усилителей класса D

В усилителях класса D используются две основные схемы включения выходного каскада:

• Мостовая схема — имеет два плеча, выдающих импульсы противоположной полярности. Позволяет получить вдвое больший выходной сигнал при том же напряжении питания.
• Полумостовая схема — более простая, но требует блокирующей емкости при однополярном питании.

Применение глубокой обратной связи

Для улучшения качества звучания в усилителях класса D применяется глубокая обратная связь. Она позволяет значительно уменьшить влияние источника питания и ослабить искажения. В хорошо спроектированном усилителе класса D можно достичь подавления помехи источника питания более 60 дБ и искажений менее 0,01%.

Особенности усилителей класса D от Analog Devices

Компания Analog Devices предлагает ряд интегральных решений для построения усилителей класса D. Их особенности:

• Высокая энергоэффективность — КПД до 90% при максимальной мощности
• Низкие искажения — менее 0,1% во всем диапазоне частот
• Встроенная защита от перегрева и короткого замыкания
• Малые габариты благодаря высокой степени интеграции
• Простота применения — минимум внешних компонентов

Заключение

Усилители класса D обладают рядом важных преимуществ по сравнению с линейными усилителями, главное из которых — высокая энергоэффективность. При грамотном проектировании они позволяют получить отличное качество звучания при минимальных габаритах и энергопотреблении. Это делает усилители класса D оптимальным выбором для многих современных аудиоприложений — от портативной электроники до мощных звуковых систем.

по воздуху и проводам. Обзор усилителя класса D / Hi-Fi и цифровой звук / iXBT Live

Если в вашем распоряжении имеется пассивная акустика, то, уверен, вы не раз облизывались на современный усилитель с поддержкой Hi-Res (24 бита 96 кГц) и возможностью передачи звука по воздуху, прямо со смартфона. Так вот, сегодня мы рассмотрим именно такое устройство. Встречайте, усилитель класса D: Sabaj A3.

Характеристики

• Bluetooth: 4.2 с AAC и AptX, CSR A64215
• USB: VT1620A codec 24 бит/96 кГц
• Конвертер: CS8422 до 24 бит/192 кГц
• АЦП: CS5341 105 Дб 192 кГц
• Усилитель: STA326
• Входы: BT/USB/OPT/AUX 
• Выходы: клеммы
• EQ: 15 персетов
• Питание: 19V/6.3A
• Максимальный входной уровень: 2 Vrms
• Соотношение сигнал/шум: 90 дБ
• Выходная мощность: 80 Вт + 80 Вт @ 4 Ома 
• Потребляемая мощность: 50 Вт
• Резервная мощность: 1 Вт
• Габариты: 106 x 119 x 36 мм
• Вес: 427 г

Видеоверсия обзора

Распаковка и комплектация

Упаковка, для такого малыша, очень внушительная.

Комплектный блок питания сразу на наши розетки.

Антенну прикручиваем на свое место и в разъем подключаем MicroUSB кабель. По USB поддерживается подключение к Windows, Unix, Mac, Android и iOS. То есть, звук можно выводить не только с ПК, но и, например, с ТВ приставки или планшета.

Тут же, в комплекте, имеется инструкция по эксплуатации на китайском и английском языках, где мы, помимо прочего, узнаем о выходной мощности на 80 Вт @ 4 Ома на канал.

Железо

Далее, интересно будет узнать, что для USB используется кодек VT1620A с разрешением до 24 бит/96 кГц.

Что мы, собственно, и видим в настройках Windows. Странно только полное отсутствие 16 битного режима, но зато усилитель не требует никаких драйверов.

Также в схеме используется конвертер CS8422, с разрешением до 24 бит/192 кГц.

И АЦП CS5341, до 105 Дб 192 кГц. Однако, непосредственно 192 кГц можно получить исключительно по оптике, в остальных режимах усилитель работает с частотой до 96 кГц.

В качестве непосредственно усиления используется STA326.

Нужды блютуз обеспечивает CSR A64215.

Дизайн/Эргономика

Сам усилитель полностью выполнен из металла и имеет достаточно скромные габариты 106 x 119 x 36 мм и вес 427 грамм.

На верхней части устройства функциональные элементы отсутствуют.

Снизу имеем четыре силиконовые ножки и два фиксирующих винта.

Выглядит конструкция очень презентабельно и подобный девайс шикарно впишется в практически любой интерьер. В моем случае, это обычное рабочее место.

На задней панели представлены все входы и выходы аппарата, в них же заключается его основное достоинство и недостаток. Удобно, что мы можем одновременно подключить к Sabaj A3 все имеющиеся у нас источники. Тут мы видим оптический вход, USB, блютуз антенну и даже обычный AUX, по которому можно подключить звук из абсолютно любого устройства, имеющего выход под наушники. В недостатки могу отнести единственный вариант подключения мониторов — через клеммы. Неудобство заключается в необходимости докупить соответствующий кабель для вашей акустики. Чуть левее имеем вход под питание.

На фронтальной части расположилась кнопка включения, она же отвечает за переключение входного сигнала: BT/USB/OPT/AUX. Вся необходимая информация выводится на небольшой дисплей: слева вверху — громкость, справа — пресет эквалайзера, а по середине — текущий режим работы.

С правой стороны находится только большая ручка регулятора, отвечающая за изменение громкости в промежутке от 0 до 36 единиц. Ход колеса безумно приятный, с соответствующими щелчками.

Если же на регулятор нажать, то мы попадаем в дополнительное меню. Тут можно выбрать один из 15 пресетов эквалайзера, а также вручную настроить высокие и низкие частоты в пределах от -12 до 12 Дб.  

Следующие два пункта отвечают за время подсветки и яркость встроенного дисплея.

Аналогичные действия можно выполнить и с комплектного пульта управления. Сделан он из приятного матового пластика, отлично лежит в руке и питается от двух AA батареек.

Интересно в нем лишь то, что, по сути, боковые клавиши дублируют функциональные, а кнопки с буквами A, B, C вообще ни за что не отвечают. Однако, удобство пульта очень трудно недооценить и лично я готов простить эти мелкие недочеты.

В ходе эксплуатации Sabaj A3, я испробовал три возможных коммутации устройства. Самый простой — это подключение усилителя в качестве звуковой карты к вашему ПК. Как я уже говорил выше, никакие драйвера при этом не требуются, а максимально доступное качество звука составляет 24 бит/96 кГц. Далее, при помощи обычного OTG кабеля, я подключил в качестве источника мой смартфон.

Ну и третий, мой самый любимый способ — передавать звук по блютуз со смартфона. Аппарат поддерживает bluetooth версии 4.2 с кодеками AptX и AAC. Так что, включить музычку можно и без компьютера или AUX, просто подключившись к усилителю по воздуху. Это очень удобно и именно такой функции очень не хватает увесистым раритетным коробкам.

В дополнение замечу, что в процессе многочасового использования Sabaj A3 нисколько не нагрелся. Пресеты эквалайзера заметно модифицируют звук, то есть сделаны явно не для галочки. Ну и, естественно, благодаря смартфону нам открывается непаханое поле возможностей в виде стримминговых сервисов, онлайн ресурсов и многого другого.

Звучит аппарат достойно, как по качеству, так и по выхлопу. Но, конечный результат, без капли сомнения, будет зависеть от возможностей вашей пассивной акустики и выбора музыкального материала.

Выводы

Итогом, в лице Sabaj A3 мы имеем современный усилитель с достойной начинкой, который способен заменить звуковую карту к компьютеру и даже воспроизводить музыку  по воздуху, прямо с вашего смартфона. Кроме того, аппарат добротно выглядит, имеет яркий дисплей, удобный пульт и просто потрясающий регулятор уровня.

 

Звуковые усилители класса D: что, зачем и как? — Компоненты и технологии

Популярность усилителей класса D, предложенных еще в 1958 году, заметно выросла в последние годы. Что они собой представляют? Как соотносятся с другими типами усилителей? Почему класс D представляет интерес для аудиотехники? Что необходимо, чтобы сделать «хороший» усилитель класса D? Каковы особенности усилителей класса D от Analog Devices? Ответы на эти вопросы следуют далее.

Немного о звуковых усилителях

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

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

Преимущество усилителей класса D

В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB.

В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации. Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.

Линейные усилители, усилители класса D и мощность рассеяния

Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах (рис. 1).

Энергия рассеивается во всех линейных выходных каскадах, поскольку при обеспечении выходного напряжения V
_out, по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток I
_т и напряжение V
_т

. Мощность рассеяния сильно зависит от начального смещения выходных транзисторов.

В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала. (
Примечание переводчика. Необходим запас как по увеличению тока [положительная фаза колебания], так и по уменьшению [отрицательная фаза].) В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).

Построение выходного каскада в классе B практически исключает постоянный ток через транзисторы и существенно уменьшает мощность рассеяния. Выходные транзисторы в этом случае работают по двухтактной схеме, верхнее плечо обеспечивает положительные токи через громкоговоритель, нижнее плечо — отрицательные. Мощность рассеяния уменьшается потому, что через транзисторы протекает только связанный с сигналом ток, постоянная составляющая практически отсутствует.

Однако выходной каскад класса B дает худшее качество звука вследствие нелинейного характера выходного тока при переходе через ноль (переходные искажения), что имеет место из-за особенностей включения/выключения выходных транзисторов.

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

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

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния усилителя класса D (рис. 2) гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение V

_т. Мгновенная мощность рассеяния, I
_тxV
_т, в этом случае минимальна.

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

Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот. Фильтр (рис. 3) должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.

На рис. 4 сравнивается мощность рассеяния (Pdiss) идеальных выходных каскадов классов A и B с измеренной мощностью рассеяния усилителя класса D — AD1994, в зависимости от мощности, подводимой к громкоговорителю для синусоидального сигнала (Pload). Значения мощности нормированы к уровню Pload max, при котором общие искажения выходного сигнала составляют 10%.

Зеленая вертикальная линия соответствует выходной мощности, при которой начинается «срез» синусоиды. Заметное различие в мощности рассеяния наблюдается во всем диапазоне выходных мощностей, особенно при низких и средних значениях. В начале «среза» мощность рассеяния выходного каскада класса D примерно в 2,5 раза меньше, чем в классе B, и в 27 раз меньше, чем в классе A. Заметим, что выходной каскад класса A рассеивает больше энергии, чем доходит до громкоговорителя — следствие большой постоянной составляющей тока смещения.

КПД выходного каскада, Eff (efficiency), определяется следующим образом:

В начале «среза» синусоиды Eff равен 25% для усилителя класса A, 78,5% для класса B и 90% для усилителя класса D. Предельные значения КПД усилителей класса A и B часто приводятся в различного рода руководствах.

Разность в мощности рассеивания увеличивается при умеренных уровнях мощности на нагрузке. Это существенно, поскольку даже при высоком уровне громкости преобладающие мгновенные значения мощности заметно меньше пиковых значений, P
_{load max} (в 5–20 раз, в зависимости от типа звука). Таким образом, для звуковых усилителей P
_load = 0,19P
_{load max} является разумным средним значением выходной мощности, для которой можно посчитать мощность рассеяния, P
_diss. При таком уровне выходной мощности усилитель класса D рассеивает в 9 раз меньше, чем усилитель класса B, и в 107 раз меньше, чем усилитель A класса. Для звукового усилителя с P
_{load max} =10 Вт средняя мощность P
_load = 1 Вт может рассматриваться как вполне реальная. При этих условиях выходной каскад класса D будет рассеивать 282 мВт, класса B— 2,53 Вт и A класса — 30,2 Вт. КПД при этом составит 78% для класса D, что несколко ниже 90% при максимальной мощности. Но даже в таком случае это гораздо больше, чем КПД каскадов класса B и A — 28% и 3% соответственно.

Это различие имеет важные последствия для конструкции системы. При уровне мощности более 1 Вт, во избежание перегрева, линейные выходные каскады требуют специальных средств охлаждения — обычно это массивные металлические радиаторы или вентиляторы. Если усилитель выполнен в виде микросхемы, для обеспечения отвода тепла может потребоваться специальный корпус, повышающий стоимость устройства. Это особенно критично, например, в плоских телевизионных приемниках, где пространство ограничено, или в автомобильной аудиотехнике, где налицо тенденция к увеличению числа каналов при сохранении того же объема.

При мощностях ниже 1 Вт основной проблемой является не разогрев, а собственно перерасход энергии. При автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D. В приведенном выше примере выходной каскад D класса потребляет в 2,8 раза меньше, чем выходной каскад класса B, и в 23,3 раза меньше, чем выходной каскад класса A, что позволяет существенно увеличить срок работы источников питания сотовых телефонов, портативных ПК, mp3-проигрывателей.

Для упрощения анализ был сосредоточен на выходных каскадах усилителя. Однако, если учесть все потери усилительной системы, при низких мощностях линейные усилители могут оказаться более предпочтительны. Причина в том, что при низком уровне мощности доля рассеиваемой при модуляции и генерации энергии может оказаться значительной. Таким образом, хорошо спроектированные усилители класса AB с малой мощностью рассеяния покоя могут конкурировать с усилителем класса D в разряде усилителей малой и средней мощности. Среди усилителей большой мощности устройства класса D являются непревзойденными по экономичности.

Усилители класса D: терминология

Мостовая и полумостовая схемы

На рис. 3 показано мостовое построение выходного каскада и LC-фильтра в усилителе класса D. Мост имеет два плеча, выдающих импульсы противоположной полярности на фильтр, состоящий из двух индуктивностей и двух емкостей. Каждое плечо моста содержит два выходных транзистора: верхнее плечо — транзистор, соединенный с положительной шиной питания (MH), и нижнее плечо — транзистор, соединенный с отрицательной шиной питания (ML). Верхнее плечо на рис. 3 образовано pМОП-транзистором. Для этой цели часто используют nМОП-транзистор, что позволяет уменьшить площадь и емкость, однако в этом случае необходима особая техника управления затворами транзисторов [1].

В мостовых схемах нередко используется однополярное питание VDD, при этом вместо отрицательной шины питания VSS транзисторы подключаются к общему выводу. При данном напряжении питания мостовая схема включения, являясь по сути дифференциальной, может давать вдвое больший выходной сигнал и вчетверо большую мощность в сравнении с обычной схемой. Обычная (полумостовая) схема включения может иметь однополярное и двухполярное питание, однако при однополярном питании необходимо включать громкоговоритель через блокирующую емкость, чтобы убрать постоянную составляющую выходного напряжения, VDD/2.

Напряжение шин питания может колебаться относительно среднего значения за счет индуктивных токов LC-фильтра. Значение производной напряжения, dV/dt, может быть уменьшено включением больших емкостей между шинами питания, VDD и VSS.

В мостовых схемах индуктивная «подкачка» не страшна, так как индуктивный ток, втекающий в одно плечо, вытекает из другого, создавая таким образом локальную токовую петлю и минимально воздействуя на источники питания.

Факторы, определяющие конструкцию аудиоусилителя класса D

Пониженное энергопотребление делает усилитель класса D весьма привлекательным решением, при этом разработчик должен учесть ряд аспектов. Среди них:

• выбор типоразмера выходных транзисторов;
• защита выходного каскада;
• качество звучания;
• способ модуляции;
• электромагнитные помехи;
• конструкция LC-фильтра;
• стоимость системы.

Выбор типоразмера выходных транзисторов

Типоразмер выходных транзисторов выбирается для оптимизации теплорассеяния во всех режимах работы. Для того чтобы напряжение на транзисторе V
_т было малым при большом токе I
_т, транзистор должен иметь маленькое сопротивление во включенном состоянии, R
_on (обычно 0,1 или 0,2 Ом).

Для этого требуются большие транзисторы, с большой емкостью затвора (CG). Потребляемая цепями управления затворами мощность — CU
²f, где C — емкость, U — изменение напряжения при переключении транзисторов, f — частота переключения. Потери на переключение становятся большими, если емкость или частота велики, поэтому существует практический верхний предел. Выбор типоразмера транзистора — компромисс между потерями V
_т x I
_т и потерями на переключение.

Резистивные потери будут преобладать при высокой выходной мощности, потери на переключение — при низкой. Производители силовых транзисторов стараются минимизиро- вать произведение Ron x CG для уменьшения общей мощности рассеяния транзисторных ключей и обеспечения гибкости при выборе частоты переключения.

Защита выходного каскада

Выходной каскад должен быть защищен от случаев, которые могут привести его к выходу из строя.

Перегрев. Хотя усилители класса D рассеивают меньше тепла, чем линейные, опасность перегрева все еще остается, если усилитель долго работает при повышенной мощности. Чтобы избежать этого, необходимы цепи температурного контроля. В простых схемах защиты выходной каскад выключается, если его температура, измеренная встроенным датчиком, превысит температурный порог отключения, и не включается, пока температура не придет в норму. Можно использовать и более сложные схемы контроля. Измеряя температуру, цепи управления могут плавно снижать громкость, уменьшая тепловыделение и удерживая температуру в заданных рамках — вместо периодического отключения звука.

Превышение абсолютной величины тока выходных транзисторов. Низкое сопротивление выходных транзисторов во включенном состоянии не является проблемой, если выходные цепи подключены правильно. Большие токи могут возникнуть в случае короткого замыкания выходной цепи либо при ее замыкании с положительной или отрицательной шиной питания. При отсутствии защиты такие токи могут привести к выходу из строя транзисторов или других цепей. Следовательно, необходимы защитные цепи по выходному току. В простых схемах защиты выходной каскад отключается при превышении порогового значения выходного тока.

В более сложных схемах выход сенсора тока вносит свой вклад в обратную связь усилителя, обеспечивая достаточно продолжительную работу усилителя без отключения. В таких схемах отключение производится только тогда, когда остальные меры защиты оказываются неэффективными. Качественные схемы обеспечивают защиту усилителя и от больших пиковых токов, возникающих вследствие резонанса в громкоговорителях.

Низкое напряжение. Большинство выходных ключевых каскадов работает нормально, если напряжение питания достаточно велико. Проблема обычно решается при помощи введения цепей блокировки, которые разрешают работу выходного каскада только если превышен определенный порог напряжения питания.

Синхронизация включения выходных транзисторов. Транзисторы верхнего и нижнего плеча имеют очень низкое сопротивление во включенном состоянии (рис. 6).

Поэтому важно избегать ситуаций, когда оба транзистора включены одновременно, и большой сквозной ток протекает между положительной и отрицательной шинами питания. В лучшем случае транзисторы будут просто нагреваться и тратить лишнюю энергию, в худшем — они могут выйти из строя.

Управление по принципу break-before-make («отключил перед тем как включил») позволяет убрать сквозные токи выключением обоих ключей перед тем, как включить один из них. Интервал времени, в который оба транзистора выключены, называется временем простоя (nonoverlapped time) или «мертвым» временем (dead time).

Качество звучания

Для получения хорошего качества звучания усилителя D класса необходимо учесть ряд факторов.

Щелчки и треск, которые возникают при включении и выключении усилителя, могут раздражать пользователя. Они возникают в усилителях D класса, если не уделить самого пристального внимания состоянию модулятора, синхронизации выходного каскада и состоянию LC-фильтра в моменты включения и выключения.

Отношение сигнал/шум. Чтобы собственные шумы усилителя были практически не слышны, отношение сигнал/шум должно быть не менее 90 дБ у маломощных усилителей для портативных устройств, 100 дБ у усилителей средней мощности и 110 дБ у мощных устройств. Для достижения приемлемого отношения сигнал/шум при разработке усилителя необходимо отслеживать все отдельные источники шума.

Искажения включают нелинейность, определяемую способом модуляции и «мертвым» периодом, который необходим для предотвращения сквозных утечек. Информация об уровне сигнала обычно кодируется шириной импульса модулятора. Наличие «мертвых» периодов влечет за собой нелинейную ошибку тактирования по отношению к импульсам идеальной длины. Для минимизации искажений всегда лучше меньшая длительность «мертвых» периодов. Детальное описание метода оптимизации выходных каскадов для уменьшения искажений можно найти в [2].

Другими источниками искажений являются: различие длительностей фронтов и спадов выходных импульсов, несоответствие временных характеристик цепей управления выходными транзисторами, нелинейность компонентов LC-фильтра низких частот.

Подавление помехи от источника питания. В схеме на рис. 2 шумы источника питания проходят на выход практически без подавления. Это происходит потому, что выходные ключи коммутируют выход усилителя с шинами источников питания через очень низкие сопротивления. Фильтр подавляет высокочастотную составляющую шумов, но пропускает сигналы звуковой частоты, включая шумы. В [3] дается хорошее описание эффекта шумов источника питания в мостовых и обычных двухтактных схемах выходных каскадов.

Если специально не заниматься проблемами качества звучания, трудно достичь величины подавления помехи от источника питания лучше, чем 10 дБ, и общих искажений менее 0,1%.

К счастью, решение этих проблем существует. Хорошо помогает глубокая обратная связь (исправно работающая во многих линейных усилителях). Обратная связь (ОС), взятая с входа LC-фильтра, значительно уменьшит влияние источника питания и ослабит все искажения, не относящиеся к самому LC-фильтру. Нелинейности LC-фильтра можно ослабить включением громкоговорителя в контур обратной связи. В хорошо спроектированном усилителе класса D можно достичь качества, достойного меломана,— подавление помехи источника питания более 60 дБ, искажения менее 0,01%.

Введение обратной связи несколько усложняет конструкцию усилителя. Необходимо учитывать проблему стабильности цепи обратной связи — это усложняет процесс проектирования системы. Для непрерывной обработки сигнала обратной связи необходимо включение специальных аналоговых цепей, что в итоге приводит к увеличению стоимости кристалла (в случае интегрального исполнения усилителя).

Для уменьшения стоимости ИМС некоторые производители предпочитают минимизировать или вообще убирать цепи обработки сигнала обратной связи. В некоторых решениях используется модулятор без обратной связи плюс аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для контроля источника питания — для коррекции работы модулятора [3].

Это может улучшить подавление помехи источника питания, но практически не уменьшает общие искажения сигнала. В других цифровых модуляторах используется предкомпенсация ожидаемых ошибок тактирования выходного каскада, или коррекция ошибки модулятора. Это может хотя бы частично учесть некоторые типы искажений, но не все. Усилители класса D без обратной связи могут использоваться в тех случаях, когда к качеству звучания не предъявляется серьезных требований, в остальных случаях обратная связь представляется весьма желательной.

Способы модуляции

Модуляторы в усилителях D класса могут выполняться многими способами, что отражает большое количество соответствующих разработок. В данной статье будут представлены основные концепции построения модуляторов.

Все способы модуляции в классе D кодируют аудиосигнал в поток импульсов. Обычно ширина импульсов связана с амплитудой звукового сигнала, спектр импульсов при этом включает полезный звуковой сигнал и нежелательную (но неизбежную) высокочастотную (ВЧ) составляющую. Общая мощность высокочастотной составляющей во всех схемах примерно одинакова, так как практически одинакова мощность импульсов, а согласно теореме полноты суммарная мощность сигнала во временной области равна таковой в частотной области. Однако распределение энергии по частоте варьируется широко: в некоторых случаях это выраженные ВЧ-тоны над низким шумовым фоном, тогда как в других распределение таково, что тоны отсутствуют при более высоком основном фоне.

Наиболее общим способом модуляции является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Суть ее заключается в том, что звуковой сигнал сравнивается с сигналом треугольной или пилообразной формы фиксированной частоты (несущей). Получается поток импульсов той же частоты, при этом длительность каждого импульса пропорциональна величине звукового сигнала. В примере на рис. 7 аудиосигнал и треугольные импульсы центрированы относительно 0 В, тогда при 0 В на аудиовходе скважность выходных импульсов составит 50%. При большом положительном входном сигнале скважность будет около 100%, при большом отрицательном — около 0%. Если амплитуда звукового сигнала превысит амплитуду треугольных импульсов, получим полную модуляцию, когда переключение прекращается, скважность составит 0% или 100%.

Способ ШИМ предпочтительнее потому, что может обеспечить до 100 дБ и выше подавление помехи источника питания при достаточно низкой частоте несущей — в несколько сотен килогерц, что дает возможность ограничения потерь при переключении выходного каскада. Кроме того, многие ШИМ устойчивы почти до 100%-ной модуляции, что обеспечивает стабильность работы усилителя на максимальных мощностях, вблизи области перегрузки. Тем не менее, ШИМ имеет и некоторые минусы. Во-первых, вследствие своей собственной природы, искажения вносит сам процесс ШИМ [4], во-вторых, гармоники несущей ШИМ дают помехи в радиодиапазоне длинных и средних волн, наконец, ширина импульсов ШИМ становится очень малой вблизи полной модуляции. Это в большинстве случаев вызывает проблемы в цепях управления выходным каскадом — из-за естественных ограничений процесс переключения не может быть настолько быстрым, чтобы получать импульсы длительностью в единицы наносекунд.

Поэтому полная модуляция часто недостижима в усилителях с ШИМ, что ограничивает максимальную мощность значениями ниже теоретических, учитывающих лишь мощность источника питания, сопротивление включенного транзистора и эквивалентное сопротивление громкоговорителя.

Альтернативой ШИМ является модуляция плотностью импульсов (МПИ), когда число импульсов за определенный отрезок времени пропорционально среднему значению звукового сигнала. Ширина отдельного импульса не является определяющей, как в ШИМ, вместо этого импульсы «квантованы» кратно периоду генерации модулятора. Одной из разновидностей МПИ является 1-битный сигма-дельта модулятор.

Значительная часть ВЧ составляющей мощности сигма-дельта модулятора распределена в широком диапазоне частот без концентрации в отдельные тоны с частотами, кратными несущей, как это происходит в ШИМ. Это дает преимущество сигма-дельта модуляции по сравнению с ШИМ в плане электромагнитных помех. Некоторая составляющая на частоте дискретизации в методе МПИ все же имеется, однако, учитывая, что типичные значения частоты составляют от 3 до 6 МГц, что значительно выше звукового диапазона, эти тоны сильно подавляются LC-фильтром нижних частот. Другим преимуществом сигма-дельта модулятора является то, что минимальная длительность импульса составляет один период дискретизации даже при больших сигналах, близких к условию полной модуляции. Это упрощает конструкцию цепей управления выходным каскадом и обеспечивает их надежную работу вплоть до теоретически максимального уровня мощности. Несмотря на это, обычные 1-битные сигма-дельта модуляторы не слишком часто используются в усилителях D класса [4], поскольку они обеспечивают лишь до 50% модуляции, и выход по мощности ограничен. Кроме того, для достижения приемлемого отношения сигнал/шум в звуковой полосе частот требуется не менее, чем 64-кратная передискретизация, что соответствует частоте импульсов минимум 1 МГц.

В последнее время были предложены усилители на основе автогенератора [5]. В этих усилителях всегда используется обратная связь, определяющая частоту переключения модулятора, при этом внешний задающий генератор не применяется. Спектр ВЧ составляющей, как правило, более равномерен, чем в ШИМ. Благодаря обратной связи в данном случае возможно высокое качество звука, однако контур является автоколебательным, поэтому его трудно синхронизировать с какой-либо другой колебательной системой или соединить с цифровым источником звука без предварительного преобразования в аналоговый.

В мостовой схеме (рис. 3) для снижения электромагнитных помех может использоваться 3-ступенчатая модуляция. При работе мостового усилителя в обычном дифференциальном режиме плечо A должно находиться в противофазе с плечом B. Используется два состояния моста: плечо A подключено к положительной шине, плечо B— к отрицательной, и наоборот. В общем случае существует еще два состояния, в которых оба плеча моста находятся в одинаковых состояниях (оба подключены к положительной шине или оба к отрицательной). Одно из этих синфазных состояний может быть использовано наряду с дифференциальными для 3-ступенчатой модуляции, когда на дифференциальном входе LC-фильтра может быть положительный сигнал, нулевой или отрицательный. Нулевое состояние может использоваться как соответствующее низкому уровню мощности вместо переключения между положительными и отрицательными уровнями в 2-ступенчатой схеме. При нулевом состоянии снижается дифференциальная электромагнитная помеха на LC-фильтре, хотя, в то же время, увеличивается синфазная составляющая. Этот режим возможен только при малых выходных мощностях, так как лишь дифференциальные выходные сигналы способны обеспечить работу такой схемы на максимальной мощности. Схемы с переменным уровнем синфазного напряжения в 3-ступенчатой модуляции представляют в некоторой степени альтернативу усилителям с замкнутой обратной связью.

Уменьшение электромагнитных помех (ЭМП)

ВЧ-компоненты выхода усилителя класса D заслуживают отдельного рассмотрения.

При недостаточном понимании процессов и отсутствии адекватных мер эти части системы могут давать сильные ЭМП и мешать работе остального оборудования. Необходимо учесть два вида ЭМП: сигналы, излучаемые в пространство, и те, которые распространяются по проводам громкоговорителя и питающей сети. Спектры излучаемых ЭМП и тех, которые распространяются по проводам, определяет схема модуляции усилителя класса D. Однако существуют схемотехнические решения, позволяющие значительно снизить уровень ЭМП усилителя.

Весьма полезное правило заключается в минимизации размеров петли обратной связи, по которой протекают высокочастотные токи, так как воздействие ЭМП на другие цепи определяется площадью петли и расстоянием до них. Например, весь LC-фильтр, включая проводку громкоговорителя, должен размещаться как можно более компактно и близко к усилителю. Для уменьшения площади петель провода каждой из цепей должны размещаться ближе друг к другу (не лишней будет витая пара для проводки громкоговорителя).

Следует обратить внимание и на большие зарядные токи, возникающие при переключении выходных каскадов. Это происходит из-за наличия выходных емкостей, образующих петлю тока, содержащую обе емкости. ЭМП в данном случае зависят от уменьшения площади этой петли, что означает минимальные расстояния от емкостей до транзисторов, которые их заряжают.

В некоторых случаях бывают полезны ВЧ-дроссели, включенные последовательно с питанием усилителя. Правильно размещенные, они способны «запереть» зарядовые ВЧ-токи в локальных участках цепей усилителя и не давать им распространяться на значительные расстояния по шинам питания. Если время простоя схемы управления затворами выходных транзисторов достаточно велико, индуктивные токи громкоговорителя или LC-фильтра могут сместить в прямом направлении паразитные диоды у выводов выходных транзисторов. При включении управления смещение на диодах сменится на обратное. При смене смещения диодов на обратное могут иметь место большие выбросы тока, что создает дополнительный источник ЭМП. Для ослабления этого типа помех нужно минимизировать время простоя выходного каскада (это полезно и для уменьшения искажений). Если же этого недостаточно, необходимо включать диоды Шоттки параллельно паразитным диодам для отвода токов и предотвращения включения паразитных диодов. Это помогает благодаря специфическим свойствам, присущим диодам Шоттки.

LC-фильтры с тороидальными сердечниками, хорошо концентрирующими магнитное поле, также способствуют уменьшению электромагнитного излучения. Излучение от более дешевых, цилиндрических сердечников может быть снижено при помощи экранирования — разумного компромисса между ценой и ЭМ-помехами. В этом случае должны быть приняты меры для того, чтобы экранирование не ухудшило линейность индуктивности и таким образом снизило качество звука до неприемлемого уровня.

Конструкция LC-фильтра

Для уменьшения габаритов и стоимости системы большинство LC-фильтров для усилителей класса D представляют собой фильтры низких частот второго порядка. На рис. 3 представлена мостовая версия LC-фильтра второго порядка. Громкоговоритель позволяет предотвратить внутренний резонанс выходной цепи. Хотя импеданс громкоговорителя часто аппроксимируется простым резистором, его структура более сложна и содержит существенную реактивную составляющую. Чтобы грамотно спроектировать фильтр, необходимо использовать точную модель громкоговорителя.

При конструировании фильтра основной проблемой является наиболее узкая полоса пропускания с минимальным спадом в области верхних звуковых частот. Типичный фильтр имеет характеристику Баттерворта в 40 кГц для достижения максимальной равномерности характеристики в полосе пропускания). Данные таблицы 1 дают возможность построения фильтров с характеристикой Баттерворта для громкоговорителей с типичными импедансами и стандартных значений L и C.

Таблица 1. Стандартные значения L и C для построения фильтров

Индуктивность L (мкГн)	Емкость C (мкФ)	Сопротивление громкоговорителя (Ом)	Полоса частот –3 дБ (кГц)
10	1,2	4	50
15	1	6	41
22	0,68	8	41

Если отсутствует обратная связь с громкоговорителем, величина искажений будет зависеть от линейности составляющих фильтра.

Факторы, определяющие конструкцию индуктивности. Важными факторами являются величина и форма сигнала тока, а также сопротивление обмотки.

Выбранная индуктивность должна иметь номинальные токи выше, чем максимальные токи усилителя. Причина в том, что сердечники индуктивностей испытывают магнитное насыщение, если величина тока становится слишком большой, а плотность магнитного потока — слишком высокой. Это приводит к значительному снижению индуктивности.

Чтобы получить индуктивность, необходимо намотать провод на сердечник. Если витков много, сопротивление, пропорциональное длине провода, становится значительным. Так как это сопротивление включается последовательно между плечом моста и громкоговорителем, часть выходной мощности будет рассеиваться на нем. Если сопротивление получается слишком большим, необходимо использовать провод большего диаметра или другой материал сердечника, чтобы снизить число витков без уменьшения индуктивности. И, как уже отмечалось выше, не следует забывать, что геометрия индуктивности также влияет на уровень ЭМП.

Стоимость системы

Каковы наиболее важные факторы, определяющие общую стоимость аудиосистемы на основе усилителя D класса? Как минимизировать затраты?

Активные компоненты усилителя класса D состоят из выходного ключевого каскада и модулятора. Стоимость их приблизительно такая же, что и линейного усилителя. Вопросы выбора возникают при рассмотрении остальных компонентов системы.

Пониженное тепловыделение усилителей класса D позволяет экономить на теплоотводах и вентиляторах. Усилитель класса D, построенный на интегральной схеме, может быть выполнен по той же причине в более компактном и дешевом корпусе, чем линейный усилитель той же мощности. При использовании цифрового источника звука для линейного усилителя, кроме того, нужен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Это, конечно, необходимо и для усилителя D класса, требующего аналогового входного сигнала, однако варианты усилителей с цифровым входом исключают необходимость использования ЦАП.

С другой стороны, принципиальным недостатком усилителей D класса является необходимость включения LC-фильтра. Его части, в особенности индуктивность, требуют места и увеличивают стоимость. В усилителях большой мощности цена LC-фильтра компенсируется большой стоимостью системы охлаждения. Однако в недорогих устройствах малой мощности стоимость индуктивности становится заметной. Например, стоимость микросхемы усилителя для мобильного телефона может быть меньше, чем общая стоимость LC-фильтра. И даже если пренебречь ценой, остается проблема занимаемого места для компактных устройств.

Это явилось причиной создания усилителей, в которых LC-фильтр отсутствует.

При таком решении экономится место и снижается стоимость, хотя и теряется преимущество низкочастотной фильтрации. В отсутствие фильтра уровень ЭМП может возрасти до неприемлемого уровня — если громкоговоритель не индуктивный и находится на удалении от усилителя, токовый контур и мощность усилителя достаточно велики. Нереальная для мощных усилителей, например, домашней стереосистемы, такая ситуация типична для мобильного телефона.

Существует и другой подход для уменьшения числа компонентов LC-фильтра. Можно использовать не мостовую, а обычную двухтактную схему выходного каскада, что позволяет вдвое сократить число емкостей и индуктивностей. Однако такая схема требует двухполярного питания, и дополнительная стоимость, связанная с созданием отрицательного источника питания, может оказаться критической, если, конечно, отрицательное плечо уже не используется для других целей, или усилитель имеет достаточное число каналов. Двухтактный выходной каскад может питаться и однополярным источником, но это несколько снижает выходную мощность и зачастую требует блокирующего конденсатора большой емкости.

Усилители D класса Analog Devices

Затронутые выше проблемы свидетельствуют, что разработка усилителя D класса — дело достаточно сложное. Для экономии времени разработчиков компания Analog Devices предлагает разнообразные усилители D класса на интегральных схемах, включающих усилители с программируемым коэффициентом усиления, модуляторы и выходные каскады. Для каждого типа усилителя имеются специальные демонстрационные отладочные платы. Конструкция плат позволяет эффективно, без изобретения очередного велосипеда, решить все проблемы, стоящие перед разработчиками усилителей класса D.

Рассмотрим, например, AD1990, AD1992, AD1994 и AD1996 — семейство интегральных схем (ИС), представляющих собой сдвоенные усилители средней мощности для двухканальных устройств, с выходной мощностью 5, 10, 25 и 40 Вт на канал соответственно.

Некоторые свойства этих ИС:

• Звуковой усилитель D класса AD1994 включает два канала с программируемым усилением, два сигма-дельта модулятора и два выходных каскада, что позволяет использовать его в мостовых схемах с однополярным питанием. Он способен обеспечивать 25 Вт на канал в стереорежиме или 50 Вт в мостовой схеме включения с КПД до 90%. Для усиления сигнала имеется программируемый коэффициент усиления в 0, 6, 12 и 18 дБ.
• Микросхема обладает встроенными устройствами защиты выходного каскада от перегрузки и перегрева, а также от сквозных токов. Благодаря специальному управлению синхронизацией и калибровке смещения, усилители обеспечивают минимальные помехи при включении/выключении. Следящая обратная связь и оптимизированное управление выходным каскадом обеспечивают уровень искажений 0,001%, динамический диапазон 105 дБ и подавление помехи источника питания более 60 дБ. Однобитный сигма-дельта модулятор специально усовершенствован для применения в усилителях D класса, обеспечивает среднюю частоту потока данных 500 кГц, высокое усиление до 90% модуляции и стабильность вплоть до полной модуляции. Специальный режим работы модулятора обеспечивает повышенную выходную мощность.
• Логика, программируемый усилитель и модулятор питаются от источника 5 В, выходной каскад питается напряжением от 8 до 20 В. Рекомендуемый дизайн усилителя обеспечивает соответствие правилам FCC Class B по уровню ЭМП. При нагрузке 6 Ом и питании 5 и 12 В AD1994 рассеивает 487 мВт в покое, 710 мВт при выходной мощности 291 Вт и 0,27 мВт в режиме экономии. Выпускается в 64-выводном корпусе LFCSP, рабочий диапазон температур от –40 до +85 °С.

Технические характеристики звуковых усилителей класса D от Analog Devices содержатся в таблице 2.

Таблица 2. Звуковые усилители класса D от Analog Devices

	Число каналов	Выходная мощность (Вт)	КПД (%)	Динамический диапазон (дБ)	Сигнал/шум (дБ)	Общие искажения (дБ)	Напряжение питания (В)	Ток потребления
AD1990	2	5	84	102	102	-90	4,5–5,5	20 мA
AD1991	2	20	87	—	—	—	4,5–5,5	2,75 мA
AD1992	2	10	84	102	102	-90	4,5–5,5	20 мA
AD1994	2	25	84	102	102	-90	4,5–5,5	20 мA
AD1996	2	40	84	102	102	-90	4,5–5,5	20 мA
SSM2301	1	1. 4	84	—	98	-67	2,5–5	4,5 мA
SSM2302	2	1.4	84	—	98	-67	2,5–5	6,6 мA
SSM2304	2	2	84	—	98	-67	2,5–5	6,6 мA

Литература

1. International Rectifier, Application Note AN-978, HV Floating MOS-Gate Driver ICs.
2. Nyboe F., et al. Time Domain Analysis of Open-Loop Distortion in Class D Amplifier Output Stages.The AES 27th International Conference, Copenhagen, Denmark, September 2005.
3. Zhang L., et al. Real-Time Power-Supply Compensation for Noise-Shaped Class D Amplifier. The 117th AES Convention, San Francisco, CA, October 2004.
4. Nielsen K. A Review and Comparison of Pulse-Width Modulation (PWM) Methods for Analog and Digital Input Switching Power Amplifiers. Te 102nd AES Convention, Munich, Germany, March 1997.
5. Putzeys B. Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with Full Output Filter Control. The 118th AES Convention, Barcelona, Spain, May 2005.
6. Gaalaas E., et al. Integrated Stereo Delta-Sigma Class D Amplifier. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, December 2005. About the AD199x Modulator.
7. Morrow P., et al. A 20-W Stereo Class D Audio Output Stage in 0.6 mm BCDMOS Technology. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 11, November 2004. About the AD199x Switching Output Stage.
8. PWM and Class D Amplifiers with ADSP-BF535 Blackfin® Processors. Analog Devices Engineer-to-Engineer Note EE-242. ADI website: www.analog.com (Search) EE-242 (Go)

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

Усилитель класса D.

Здравствуйте читатели и любители собирать своими руками. Технологии на месте не стоят. Кто бы мог подумать, что место аналоговых займут цифровые. Класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме.
Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры.
Далее продолжение.
Обзор написал спустя более года после покупки этого усилителя. Что бы не было потом, что типа Китай и долго не проработает.
Сам усилитель компактный и можно встроить в любой подходящий корпус.
Параметры усилителя:
— Model: Y148
— PCB board size- 50*70mm
— Adopts YDA148 high-efficiency digital audio power amplifier IC
— DC input voltage: 9~15V
— Current: 2~4.5A
— Power output at DC 15V input: 15W x 2 (8 ohm), 30W x 2 (4 ohm)
— Power output at DC 12V input: 10W x 2 (8 ohm), 20W x 2 (4 ohm)
— Needs heat sink at 4 ohm, doesn’t need heat sink at 8 ohm
— Frequency response: 10Hz~20KHz(±0. 2dB @1KHz)
— Load speaker: 4 / 6 / 8 ohm
— SNR: at least 90dB

Вот ссылка на более подробное описание. m5.img.dxcdn.com/CDDriver/CD/sku.93121.xls.
emtb.pl/pliki/glosnik_bt/YDA148_D-510_en-2.pdf

Немного фото.


Работает в паре с этими колонками.

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

Обозреваемый усилитель используется с компьютером. И запитан от него же. Меня устраивает качество звука. Звёзд с неба не хватает. И со своей задачей справляется.
Плюсы усилителя:
Небольшие размеры. Можно встроить в любой корпус.
Диапазон питающего напряжения.
Стоят на выходе дроссели. Нет высокочастотных шумов.
Очень маленький нагрев. Можно подстраховаться и поставить небольшой радиатор.
Высокий КПД 90-93%. То есть вся мощь идёт на работу а не нагрев.
Меня этот усилитель устраивает на все сто. Доказано практикой.
P.S.
Что бы сделать толковый обзор нужен генератор сигналов. Осцилограф. И мощные резисторы в качестве нагрузки.
До этого собирал усилки на транзюках. Потом на микросхемах. Есть с чем сравнивать.
Собранный очень давно усилитель на STK4162

Усилитель классов от C до H

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Понимание различий между усилителями классов от A до H:
• • Смещение класса C.
• Понимать работу усилителей класса D и необходимость:
• • Широтно-импульсная модуляция.
• • Силовое переключение.
• • Фильтрация вывода.
• Основные принципы работы классов E и F.
• Основные принципы работы классов G и H.

Альтернативные классы усилителей

Усилитель напряжения с общим эмиттером класса A, описанный в модулях усилителя 1, 2 и 3, обладает некоторыми превосходными свойствами, которые делают его полезным для многих задач по усилению, однако он подходит не для всех целей.Смещение класса A хорошо сохраняет исходную форму волны, поскольку транзистор смещен с использованием наиболее линейной части характеристик транзистора. Однако большой проблемой класса A является его низкая эффективность. Модуль 5.3 усилителей объясняет, как двухтактные усилители мощности класса B повышают эффективность за счет дополнительных кроссоверных искажений.

Усилители мощности

класса AB, описанные в модуле 5.5, в значительной степени решают проблему кроссоверных искажений за счет объединения элементов конструкции как класса B, так и класса A, но при этом снова снижает эффективность.Хотя класс AB подходит для того, что сегодня можно было бы считать усилителями низкой или в лучшем случае средней мощности, в последние годы наблюдается тенденция делать усилители все более и более мощными, и когда-то 30 Вт считалось вполне достаточным для заполнения довольно большого зрительный зал, теперь на магнитолу вряд ли хватит! В результате были созданы новые классы усилителей, способных удовлетворить это требование высокой мощности.

Рис. 5.6.1 Смещение класса C

Смещение класса C

В классе C точка смещения расположена значительно ниже границы отсечки, как показано на рис.5.6.1 и поэтому транзистор отключен на протяжении большей части цикла волны. Это значительно повышает эффективность усилителя, но при этом сильно искажает выходной сигнал. Поэтому класс C не подходит для усилителей звука. Однако он обычно используется в высокочастотных генераторах синусоидальной волны и некоторых типах ВЧ-усилителей, где импульсы тока, генерируемые на выходе усилителя, могут быть преобразованы в полные синусоидальные волны определенной частоты с помощью резонансных контуров LCR.

Усилители класса D

Рис.5.6.2 Основные принципы класса D

В усилителях звука класса D, основная работа которых показана на рис. 5.6.2, звуковой сигнал сначала преобразуется в цифровой сигнал, называемый «широтно-импульсной модуляцией». Это не цифровой сигнал в рамках общепринятого определения «Цифровой» относительно признанных уровней логической 1 и 0, а только в том смысле, что он имеет два уровня: высокий и низкий. Когда такой сигнал усиливается, в усилителе рассеивается очень небольшая мощность, так как, когда выходные транзисторы включены и пропускают свой максимальный ток, на них практически отсутствует падение напряжения и, следовательно (мощность = напряжение x ток), там практически нулевая мощность. Точно так же, когда транзисторы «выключены», присутствует большое напряжение, но ток не течет. Это приводит к гораздо большей эффективности, чем у обычных аналоговых усилителей. Выходной сигнал ШИМ окончательно преобразуется обратно в аналоговую форму на выходе.

Широтно-импульсная модуляция

Рис. 5.6.3 Работа класса D

На рис. 5.6.3 показано, как аудиосигнал преобразуется в форму с «широтно-импульсной модуляцией» с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из относительно низкочастотных синусоидальных волн, с гораздо более высокочастотной треугольной формой волны.Выход компаратора переключается на высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны выше, чем у звуковой волны, или на низкий уровень, если оно ниже.

Таким образом, выход компаратора состоит из серии импульсов, ширина которых изменяется в зависимости от мгновенного напряжения синусоидальной волны. Средний уровень сигнала ШИМ имеет ту же форму (хотя и инвертированную в данном случае), что и исходный аудиосигнал.

Быстрое переключение мощности

Этот выход ШИМ затем управляет схемой переключения, которая использует силовые транзисторы MOSFET с быстрым переключением для переключения выхода между полным напряжением питания (+ V) и нулевым вольт (0V).Представление звука серией прямоугольных импульсов значительно снижает энергопотребление. Когда прямоугольная волна находится на высоком уровне, транзистор отключен, и, хотя присутствует высокое напряжение, практически нет тока, а поскольку мощность равна напряжению x току, мощность практически равна нулю. В то время, когда прямоугольный сигнал находится на низком уровне, будет протекать большой ток, но напряжение сигнала практически равно нулю, поэтому, опять же, очень мало рассеиваемой мощности. Единственный случай, когда значительная мощность рассеивается транзисторами MOSFET, — это переход от высокого к низкому или от низкого к высокому состоянию. Поскольку используются высокоскоростные переключаемые полевые МОП-транзисторы, этот период чрезвычайно короткий, поэтому средняя рассеиваемая мощность сохраняется на очень низком уровне.

Выходная фильтрация

Наконец, высокочастотные импульсы ШИМ большой амплитуды применяются к фильтру нижних частот, который удаляет высокочастотные компоненты формы волны, оставляя только средний уровень волны ШИМ, который из-за изменяющегося времени включения импульсов создает копию исходного синусоидального звукового сигнала с большой амплитудой.

Работа

класса D делает выходную цепь чрезвычайно эффективной (около 90%), обеспечивая высокую выходную мощность без необходимости в таких мощных транзисторах и сложных радиаторах. Однако такое большое повышение эффективности достигается только за счет некоторого увеличения искажений и особенно шума в виде электромагнитных помех (EMI).

Поскольку класс D генерирует высокочастотные «прямоугольные» ШИМ-волны большой амплитуды на выходе модуля переключения, будет присутствовать много нечетных гармоник большой амплитуды, которые являются естественным компонентом прямоугольных волн. Частоты этих гармоник могут простираться в радиочастотный спектр и, если их не контролировать, могут вызывать радиопомехи, излучаемые как напрямую, так и передаваемые через источник питания.

Как показано на рис. 5.6.2, выход ШИМ подается на нагрузку через фильтр нижних частот, который должен удалять гармоники, вызывающие помехи, однако даже с помощью высококачественного фильтра нижних частот все гармоники, вызывающие помехи, не могут быть удалены из источника. прямоугольная волна, так как это исказит прямоугольную волну и, следовательно, аудиовыход.

Тем не менее, класс D — это очень эффективный класс усилителей, подходящих как для аудиосистем высокой мощности, так и для РЧ-усилителей, а также для портативных усилителей малой мощности, где срок службы батарейки может быть значительно увеличен благодаря высокой эффективности усилителя. Повышенный интерес к усилителям класса D привел к появлению ряда интегральных схем класса D, таких как стереофонический усилитель мощности TPA3120D2 мощностью 25 Вт на канал от Texas Instruments и усилитель звука с цифровым входом 2 Вт на канал SSM2518 от Analogue Devices, подходящий для мобильных телефонов и портативных mp3 плееров.

Классы от E до H

Классы усилителей, такие как E и F, в основном являются усовершенствованиями класса D, предлагая более сложную и улучшенную выходную фильтрацию, включая некоторое дополнительное формирование волны ШИМ-сигнала для предотвращения искажения звука. Классы G и H предлагают усовершенствования базовой конструкции класса AB. Класс G использует несколько шин питания с различным напряжением, быстро переключается на более высокое напряжение, когда волна аудиосигнала имеет пиковое значение, которое является более высоким напряжением, чем уровень напряжения питания, и переключается обратно на более низкое напряжение питания, когда пиковое значение звукового сигнала уменьшается.Путем переключения напряжения питания на более высокий уровень только при наличии самых сильных выходных сигналов и последующего переключения на более низкий уровень средняя потребляемая мощность и, следовательно, тепло, вызванное потерянной мощностью, уменьшается. Класс H превосходит класс G за счет постоянного изменения напряжения питания в любой момент, когда аудиосигнал превышает определенный пороговый уровень. Напряжение источника питания отслеживает пиковый уровень сигнала, который лишь немного превышает мгновенное значение звуковой волны, возвращаясь к своему более низкому уровню, когда пиковое значение сигнала снова падает ниже порогового уровня.Поэтому оба класса G и H требуют значительно более сложных источников питания, что увеличивает стоимость реализации этих функций.

Начало страницы

Усилители

класса D — Electronics-Lab.com

Введение

В предыдущих руководствах была установлена ​​важная связь между углом проводимости усилителя и его эффективностью. Действительно, усилители на основе больших углов проводимости, такие как усилители класса A, предлагают очень хорошую линейность, но имеют очень ограниченный КПД, обычно около 20–30%.При уменьшении угла проводимости достигается высокий КПД, такой как у усилителей класса C.

Следовательно, для достижения 100% эффективности желателен угол проводимости, стремящийся к 0 °. Однако, как мы видели с усилителями класса C , это невозможно реализовать, так как на нагрузку не подается питание.

Усилители класса D точно решают эту проблему, работая с другим методом, чем традиционные усилители классов A, B, AB или C.В первом разделе представлена ​​упрощенная архитектура усилителей класса D и их общее функционирование. Как мы увидим в этом разделе, усилители класса D состоят из трех различных основных модулей. Поэтому следующие разделы посвящены каждому из этих модулей, чтобы понять, как сигнал преобразуется в процессе усиления класса D. Небольшое примечание об эффективности этого усилителя дается в последнем разделе. Наконец, эта информация синтезируется в заключение, которое резюмирует глобальное преобразование сигнала.

Представление усилителя класса D

Усилители

класса D обычно состоят из трех разных модулей: модулятора , каскада переключения и фильтра нижних частот . Путь прохождения сигнала вместе с последовательностью этих различных модулей представлен на рисунке , рис. 1, ниже:

рис 1: Блок-схема усилителя класса D

В то время как классические усилители принимают на вход синусоидальный сигнал, усилители класса D предварительно преобразуют его через модулятор в прямоугольный сигнал.В специальном разделе мы увидим, что представление о модуляции, предложенное на рис. 1 на , является чрезмерно упрощенным.

Коммутационный каскад — это то место, где происходит усиление за счет транзисторов. В разделе, посвященном этому этапу, мы подробно представляем, что транзисторы работают в определенном режиме и дополнительной конфигурации для правильного усиления прямоугольного сигнала.

Наконец, фильтр нижних частот используется для восстановления синусоидальной формы сигнала.Более того, этот заключительный каскад устраняет нежелательные гармоники, которые могли возникнуть в процессе усиления.

Модуляция

Существует множество методов модуляции, но наиболее распространенным и широко используемым для многих приложений является ширина импульса (ШИМ) . Простой график, представляющий ШИМ, показан на Рис. 2 ниже:

Рис. 2: Принцип ШИМ-модулятора

Этот метод заключается в сравнении входного синусоидального сигнала с высокочастотным треугольным сигналом , обычно называемым несущей , полученным от независимого генератора.Чтобы соответствовать теореме Шеннона, частота несущего сигнала должна быть как минимум в два раза выше частоты синусоидального сигнала.

Выходной сигнал модулятора получается путем следующего сравнения этих двух сигналов:

• Если синус выше несущего сигнала, выход равен 1
• В противном случае вывод равен 0

В ходе этого урока трансформация сигнала будет отслеживаться путем построения графика каждого шага усиления с помощью программного обеспечения MatLab®.На рисунке 3 ниже, входной сигнал с частотой 2 Гц нанесен на график вместе с несущим сигналом с частотой 20 Гц. Более того, вывод ШИМ отображается путем сравнения, описанного ранее.

рис. 3: вход и выход ШИМ. Построено с помощью MatLab®

Важно отметить, что частота выходного сигнала ШИМ совпадает с несущей частотой. Рабочий цикл — это число, характеризующее долю, в которой значение сигнала равно 1 в течение периода.Например, если импульс симметричен, половина сигнала будет равна 1, а половина — 0, следовательно, коэффициент заполнения будет 50% или 0,5. В случае ШИМ, хотя частота постоянна, рабочий цикл меняется.

Мы можем отметить, что когда входной сигнал максимален, рабочий цикл ШИМ стремится к 1 и наоборот, стремится к 0 , когда входной сигнал минимален. Следовательно, рабочий цикл ШИМ напрямую связан с исходной формой синусоидального сигнала. Это утверждение действительно может быть подтверждено с помощью простого алгоритма, который независимо усредняет вывод ШИМ для каждого цикла, результат нанесен на график и показан на Рисунок 4 :

Рис. 4: Усреднение сигнала ШИМ

Из этого рисунка видно, что при усреднении сигнала ШИМ снова появляется синусоида исходного сигнала. В реальных схемах эта операция выполняется фильтром, как мы увидим в разделе «Фильтрация».

Усиление

Поскольку обычно выбирается несущий сигнал, так как его частота намного выше, чем входной сигнал, выходная мощность ШИМ для усиления может быть выше высокой частоты среза усилителя на основе BJT (см. Руководство по частотной характеристике). Это причина, по которой высокочастотные МОП-транзисторы предпочтительнее классических биполярных усилителей для усиления класса D.

В усилителях класса D один NMOS и один PMOS соединены в двухтактной конфигурации, как показано на Рис. 5 :

рис 5: Двухтактная конфигурация каскада усиления

Как и в усилителе класса B, дополнительные транзисторы смещены таким образом, что NMOS усиливает только положительные полуволны, а PMOS — только отрицательные полуволны. Этот каскад усиления также называется каскадом переключения , потому что транзисторы ведут себя точно как переключатели: они либо полностью включены (короткое замыкание), либо выключены (разомкнутая цепь).

Фильтрация

Чтобы восстановить исходную синусоидальную форму сигнала, усиленный импульсный сигнал должен быть обработан фильтром. Этот фильтр должен соответствовать некоторым условиям:

• Подавляет высокие частоты выше нормальной полосы пропускания (средние частоты) усилителя, особенно несущую частоту и ее гармоники.
• Воспроизводит средние частоты усилителя с хорошим уровнем усиления. Например 20 Гц — 20 кГц для усилителя звука.
• Добейтесь максимально ровной полосы для средних частот.

Этот тип фильтра широко известен как фильтр Баттерворта . Типичный фильтр, используемый для выполнения этих требований, представляет собой параллельную LC-цепь . При параллельном подключении к нагрузке R _L его можно рассматривать как фильтр RLC.

Рис. 6: L // C-фильтр нижних частот

Полоса пропускания этого фильтра характеризуется его частотой среза f _c при -3 дБ, что удовлетворяет уравнению 1 :

уравнение 1: Частота среза фильтра

нижних частот. Кроме того, поскольку схема RLC является фильтром второго порядка, сильный спад -40 дБ / дек наблюдается выше f _c .Асимптотическая диаграмма частотной характеристики этого фильтра представлена ​​на рисунке 7:

Рис. 7: Частотная характеристика

фильтра Баттерворта второго порядка. Несколько уровней параллельных конфигураций LC следует принимать во внимание, поскольку каждый уровень увеличивает порядок фильтра и, следовательно, качество фильтрации. В , рис. 8, , мы можем отметить разницу между выходными данными фильтра Баттерворта первого или второго порядка, примененного к нашему примеру:

Рис. 8: Разница в выходном сигнале между фильтром

Баттерворта первого и второго порядка. Поскольку входной сигнал имеет частоту 2 Гц, а несущая частота составляет 20 Гц, для этого фильтра была выбрана частота среза 4 Гц.Мы можем выделить тот факт, что фильтр первого порядка не подходит, поскольку он недостаточно ослабляет несущую частоту, в то время как выходной сигнал фильтра второго порядка намного более синусоидален.

КПД

Оригинальный принцип работы усилителя класса D обеспечивает очень высокий уровень эффективности. Такой высокий КПД объясняется тем, что транзисторы ведут себя почти как идеальные переключатели:

• Когда они выключены, ток I _DS не течет между стоком и истоком.
• Когда они включены, напряжение V _DS не наблюдается между стоком и истоком.

Следовательно, нет мощности V _DS × I _DS рассеивается в виде потерь (тепла). Обычно КПД усилителей класса D превышает 90% .

Заключение

Усилители

класса D работают совершенно иначе, чем усилители других обычных классов (A, B, C). Они действительно очень нелинейны и содержат специальные модули для обработки сигналов.

Первая операция, которую необходимо выполнить, называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и заключается в сравнении входного сигнала с высокочастотным треугольным сигналом. Независимо от того, находится ли входной сигнал выше несущей или ниже, генерируется новый сигнал, называемый выходом ШИМ, который состоит из прямоугольного сигнала с той же частотой несущей, но с переменным рабочим циклом. Этот сигнал напрямую связан с исходной формой синусоидального входа.

Перед возвращением синусоидального сигнала каскад переключения, выполненный с двумя дополнительными NMOS и PMOS в двухтактной конфигурации, усиливает выходной сигнал PWM.Особенность транзисторов в том, что они переключаются между полностью включенными и выключенными состояниями и никогда не работают в своей линейной зоне.

С этим усиленным импульсным сигналом последний каскад, состоящий из L // C-цепи, действует как фильтр Баттерворта для восстановления исходной синусоидальной формы. Важно правильно установить частоту среза, чтобы исключить несущую частоту и связанные с ней гармоники. Более того, фильтр Баттерворта высокого порядка предпочтителен, чтобы избежать как можно большего искажения.

Наконец, мы отметили, что эффективность этого усилителя заметно выше, чем у типичных классов, из-за низкой рассеиваемой мощности, которая стала возможной из-за переключения транзисторов. Этот факт является большим преимуществом в конструкции усилителя класса D : они не требуют тяжелых и громоздких радиаторов.

Благодаря многочисленным преимуществам усилители класса D можно найти во многих повседневных применениях: в мобильных телефонах и многих аудиоустройствах, таких как наушники, автомобильные радиоприемники и т. Д.

Усилители

класса D — не просто аудио

Стив Сомерс, вице-президент по инженерным вопросам

Да, я любитель видео.Вы, наверное, слышали, как один из нас (не я) неуважительно преуменьшал значение вездесущей области слуховой инженерии, говоря, что «это просто звук». Эта статья об аудио, но пока не заряжайте свои щиты. Я на вашей стороне … ветеран-менеджер проекта аудиосистемы с соотношением сигнал / шум качества компакт-диска и неизмеримыми гармоническими искажениями. Хотя я в основном запрограммирован на обновление моей памяти со скоростью 30 кадров в секунду (или пустых мыслей), я действительно иногда отправлялся в эту священную область в поисках большего динамического диапазона.

Сегодня звук — это нечто большее, чем просто динамический диапазон или полное гармоническое искажение (THD). Это еще и сила … больше за меньшие деньги. Аудиосистемы класса D стали самостоятельным выбором, независимо от того, нужна ли вам большая мощность звука от небольшой системы или большая мощность звука от небольшой батареи.

Классы усилителей

Есть пять «классов» усилителей: A, B, AB, C и D. Полезно знать, где мы были, чтобы понять, куда мы идем. Давайте рассмотрим.Усилитель класса A — это традиционный полностью линейный усилитель с активными элементами схемы, смещенными в их линейную рабочую область. Это означает, что область должна иметь достаточный диапазон напряжений, чтобы охватить весь динамический ход — амплитуду — входящего сигнала, чтобы воспроизвести его без ограничения или сжатия в любом крайнем случае. По этой причине выходное напряжение источника питания усилителя должно составлять примерно 200% от максимального ожидаемого размаха выходного сигнала. Амплитуды сигналов, достигающих нелинейной области, искажаются.Этот метод работы чист, но неэффективен. Усилители класса A редко превышают КПД 20% с точки зрения потребляемой мощности (преобразованной в тепло) по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

Усилители

класса B несколько более эффективны за счет использования двух приводных элементов, работающих в двухтактной конфигурации. При положительном отклонении сигнала верхний элемент подает питание на нагрузку, а нижний выключен. Во время отрицательных отклонений сигнала происходит обратная операция.Это увеличивает эффективность работы, но страдает от нелинейной области включения и выключения, создаваемой, когда элементы драйвера переключаются из своего включенного состояния в свое выключенное состояние. Эта ошибка переключения создает состояние, обычно называемое перекрестным искажением.

Усилители

класса AB устраняют перекрестные искажения в значительной степени, сочетая в себе лучшие характеристики обоих классов. Двухтактные драйверы осторожно смещены чуть выше их полностью выключенного состояния, чтобы переход между драйверами был более плавным. Таким образом, каждый драйвер никогда не выключается полностью. Это уменьшает большую часть перекрестных искажений за счет эффективности. В непосредственной близости от выходных устройств требуется цепь смещения с температурной компенсацией. Усилитель AB по-прежнему более эффективен (60–65%), чем усилитель класса A. Однако показатели эффективности усилителя обычно получают из применения установившихся тонов синусоидальной волны с низким коэффициентом амплитуды. Если принять во внимание пик-фактор (отношение пикового сигнала к среднеквадратичному сигналу) реальных сигналов, эффективность любого класса A или AB в лучшем случае падает до 20%.

Усилители

класса C, смещенные на уровне отсечки или ниже, обычно используются для определенных типов радиочастотной передачи, но не используются в аудиоприложениях. Поэтому в данной статье не будем останавливаться на классе C.

Рисунок 1. Усилитель класса D сравнивает аналоговый звук с треугольной волной для создания широтно-импульсной модуляции.

D не равно цифровому

Усилители

класса D не являются цифровыми в полном смысле этого слова. Они не управляются напрямую связными двоичными данными. Они действуют в цифровом виде, поскольку выходные драйверы работают либо в полностью включенной области, либо в полностью выключенной области.Думайте об усилителях класса D как об импульсных источниках питания, но со звуковыми сигналами, модулирующими действие переключения.

Импульсный источник питания использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления рабочим циклом включения / выключения транзистора (транзисторов) переключения мощности, обеспечивающего питание нагрузки. Эффективность высока, потому что на переключающем транзисторе мало падения напряжения во время проводимости. Это означает очень низкое рассеивание мощности в коммутаторе, при этом практически вся мощность передается нагрузке.Во время периода выключения ток практически равен нулю. Качество и быстродействие устройств MOSFET (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор) привело к созданию компактных, эффективных высокочастотных источников питания. Импульсные источники питания более эффективны на высоких частотах. На более высоких рабочих частотах компоненты могут стать меньше, и источник питания станет очень компактным для передаваемой мощности. Кроме того, компоненты выходного фильтра могут быть намного меньше. Сегодня частоты переключения выше 1 МГц не редкость.Но, как вы, наверное, знаете, импульсные источники питания создают значительный шум.

При чем здесь звук? Аудиосигналы могут использоваться для модуляции системы ШИМ для создания мощного аудиоусилителя при номинальном напряжении с использованием небольших компонентов. Аудио класса D использует фиксированную высокочастотную несущую, имеющую импульсы, ширина которых изменяется в зависимости от амплитуды сигнала. Усилители класса D достигают КПД до 90%. Это очень важно для портативных приложений, использующих аккумулятор.Портативная аудиосистема класса D с питанием от батареи может иметь срок службы батареи в 2,5 и более раз.

Экономия электроэнергии становится проблемой. Оборудование, использующее системы класса D, значительно экономит рабочую мощность. Для оборудования с ограниченным бюджетом мощности или доступным диапазоном напряжений класс D может выполнять свою работу без перепроектирования источников питания для получения большего запаса сигнала. Похоже на то, что система чревата низкой производительностью? Думаю, качество вас приятно удивит.Давайте подробнее рассмотрим, как это работает.

Время проверить под капотом

В наиболее распространенной реализации амплитуда входящего аудиосигнала сравнивается с треугольной формой волны, работающей на заданной частоте переключения. Схема компаратора переключает свой выходной высокий или низкий порог, основанный на поступающем звуковом против опорной амплитуды и частоты треугольной волны. Когда аудиосигнал превышает пороговое значение компаратора, компаратор включается и остается включенным в течение времени, когда аудиосигнал превышает опорный уровень, создавая таким образом широкий положительный импульс. С другой стороны, в то время как звуковой сигнал ниже эталонного уровня компаратора, отрицательная продолжающаяся часть цикла выходного импульса дежурного шире. Обратитесь к Рисунку 1, чтобы увидеть эту взаимосвязь.

Некоторые описывают этот метод преобразования как 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Большим преимуществом этого метода преобразования является линейность. Отношение амплитуды звука к импульсам переменной ширины в этой системе совершенно линейно. Эта последовательность импульсов с фиксированной частотой становится несущей для звука.

Выходы компаратора подключаются к схеме управления затвором для выходных транзисторов MOSFET.Как правило, компаратор имеет дополнительные выходы и управляет двумя наборами транзисторных ключей с тотемной полярностью. Эта конфигурация вместе с точкой подключения громкоговорителя описывает топологию выходного привода, известную как конфигурация «H» или «мостовая» нагрузка. См. Рисунок 2, где представлена ​​более упрощенная схема топологии класса D.

Рисунок 2. Топология класса D

Последняя и не менее важная секция — выходной фильтр. В большинстве конструкций класса D используется схема фильтра Баттерворта для простоты и низкой стоимости.Выходной фильтр необходим для фильтрации нижних частот или интеграции изменяющегося рабочего цикла импульса несущей в исходный аудиоконтент при ослаблении (поглощении) частоты переключения несущей. Выбор значений компонентов фильтра очень важен и необходим для максимального повышения эффективности.

Динамический диапазон достигается выбором несущей частоты переключения. Рекомендуется коэффициент, по крайней мере, в 12 раз превышающий верхнюю частоту среза звука. Это означает, что минимальная частота переключения будет около 250 кГц.В состоянии покоя (без сигнала) рабочий цикл частоты переключения составляет 50% или равномерно разделен между ВКЛ и ВЫКЛ. Интересно, что состояние отсутствия входного сигнала является наиболее стрессовым для конструкции класса D. Положительные пики сигнала управляют рабочим циклом в одном направлении, а отрицательные пики — в противоположном. Таким образом, чем выше частота переключения, тем больше «битов» разрешения доступно для воспроизведения сигнала.

Интересно … Как насчет качества?

Усилители

класса D подвергались критике как более низкое качество, чем системы класса AB, и их использование ограничивалось приложениями с более низкой производительностью, такими как системы громкой связи.Благодаря недавним достижениям в области силовых полупроводниковых устройств и необходимости повышения эффективности при питании от батарей, к классу D теперь наблюдается возрождение интереса. Теперь возможно разработать дизайн класса D, который конкурирует с большинством усилителей AB. Например, посмотрите на частотную характеристику системы Extron класса D на Рисунке 3. Теперь сравните ее отношение сигнал-шум с характеристикой типичного усилителя класса AB (Рисунки 4 и 5). Обратите внимание на близость характеристик между двумя классами, в то время как конструкция Extron обеспечивает на 67% больше мощности при той же нагрузке. Наконец, на рисунке 6 показаны очень приличные характеристики полного гармонического искажения (THD), которые не уступают классу AB. Также интересно отметить, что при полной выходной мощности радиатор выходного переключающего транзистора класса D просто теплый на ощупь. Напряжение источника питания составляет половину уровня, необходимого для устройства класса AB.

Преимущество класса D

Самое большое преимущество — эффективность. Повышенная эффективность означает более низкую стоимость системы, более низкие рабочие температуры, более низкое напряжение источника питания и более низкое энергопотребление.Кроме того, легко доступны строительные блоки класса D, а также значительная поддержка дизайна для быстрого внедрения в новые разработки продуктов. В то время как реальная эффективность работы усилителей класса AB составляет около 20%, системы класса D достигают эффективности 75% без значительных усилий. Более высокий КПД возможен в зависимости от деталей конструкции с усилителями более высокой мощности (около 100 Вт или более), фактически достигающими более высокого КПД, чем их родственники с низкой мощностью.

Рисунок 3.Полоса пропускания на уровне 25 Вт на 8 Ом.
Рис. 4. Характеристики отношения сигнал / шум класса AB при 15 Вт на 8 Ом.
Рис. 5. Характеристики S / N Extron класса D при 25 Вт на 8 Ом.
Рисунок 6. Суммарные гармонические искажения (THD) при 25 Вт на 8 Ом. Обратите внимание, что полоса пропускания усилителя ниже 49 Гц должна спадать.

Хорошо, в чем уловка?

Конкуренция с конструкциями класса AB во имя эффективности несет в себе несколько предостережений. Из трех важнейших конструктивных особенностей выходной фильтр занимает первое место.Выходной фильтр восстанавливает исходный звуковой сигнал и ослабляет несущую частоту переключения. Он также устанавливает полосу пропускания усилителя -3 дБ. При разработке выходного фильтра важно выбрать топологию фильтра и значения компонентов так, чтобы частота переключения была достаточно ослаблена, а полоса звукового сигнала не подвергалась значительному влиянию. После фильтра всегда присутствует остаточный носитель. Новичок в классе D не увидит тихого состояния отсутствия сигнала на клеммах динамиков.Некоторая потеря эффективности в классе D является результатом конструкции выходного фильтра.

Из-за высокочастотной работы очень важна развязка источника питания. Коммутационная несущая должна быть отключена от всех напряжений питания, чтобы предотвратить ухудшение работы схемы. Наконец, для минимизации генерации электромагнитных помех важна правильная компоновка высокочастотной печатной платы. По мере увеличения уровня мощности коммутационные токи, проходящие по дорожкам платы с высоким импедансом, будут создавать значительный электрический шум.

Дивный новый класс

Достижения в области электронного искусства стали более междисциплинарными, чем когда-либо прежде. Аудиоприложения класса D требуют обширных знаний в области дизайна и техники. Поддержание чистоты аудиосигнала — это Святой Грааль во время этой оркестровки высокоскоростной энергии из хаотического в царство упорядоченного и эффективного воспроизведения сигнала.