Усилитель d класса: Современные усилители класса D или …? / Stereo.ru

Содержание

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

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *