Усилитель класс д. Усилитель класса D: принцип работы, преимущества и недостатки

Как работает усилитель класса D. Каковы основные преимущества и недостатки усилителей класса D. Почему усилители класса D становятся все более популярными в современной аудиотехнике. Где применяются усилители класса D.

Принцип работы усилителя класса D

Усилитель класса D, также называемый цифровым или импульсным усилителем, работает по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Основные этапы работы такого усилителя:

1. Входной аналоговый сигнал преобразуется в последовательность импульсов переменной ширины (ШИМ-сигнал). Ширина импульсов пропорциональна амплитуде входного сигнала.
2. Полученный ШИМ-сигнал усиливается с помощью ключевых каскадов на транзисторах, работающих в режиме переключения.
3. Усиленный ШИМ-сигнал фильтруется с помощью LC-фильтра нижних частот, на выходе которого получается усиленная копия исходного аналогового сигнала.

Ключевой особенностью усилителей класса D является то, что выходные транзисторы работают в ключевом режиме — они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Это позволяет значительно повысить КПД усилителя.

Основные преимущества усилителей класса D

Усилители класса D обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными линейными усилителями:

• Высокий КПД — до 90-95% против 50-70% у линейных усилителей. Это позволяет снизить энергопотребление и тепловыделение.
• Компактные размеры благодаря меньшему тепловыделению и отсутствию необходимости в массивных радиаторах.
• Низкий вес, что особенно важно для портативной техники.
• Возможность работы от низковольтного питания, что удобно для мобильных устройств.
• Высокая выходная мощность при малых габаритах.

Недостатки усилителей класса D

Несмотря на явные преимущества, у усилителей класса D есть и некоторые недостатки:

• Более высокий уровень нелинейных искажений по сравнению с качественными линейными усилителями.
• Ограниченный частотный диапазон, особенно в области высоких частот.
• Возможные проблемы с электромагнитной совместимостью из-за работы на высоких частотах.
• Необходимость в качественных выходных фильтрах для подавления высокочастотных помех.

Применение усилителей класса D

Благодаря своим преимуществам, усилители класса D нашли широкое применение в различных областях:

• Портативная аудиотехника (смартфоны, планшеты, ноутбуки)
• Автомобильные аудиосистемы
• Активные акустические системы
• Сабвуферные усилители
• Профессиональное звуковое оборудование
• Домашние кинотеатры и мультимедийные системы

Сравнение усилителей класса D с линейными усилителями

Рассмотрим основные отличия усилителей класса D от традиционных линейных усилителей (классов A, AB, B):

Параметр	Усилители класса D	Линейные усилители
КПД	90-95%	50-70%
Тепловыделение	Низкое	Высокое
Габариты	Компактные	Крупные
Вес	Легкие	Тяжелые
Качество звука	Среднее-высокое	Высокое
Стоимость	Средняя	Высокая

Развитие технологии усилителей класса D

Технология усилителей класса D продолжает активно развиваться. Основные направления совершенствования:

• Улучшение качества звучания за счет снижения искажений и расширения частотного диапазона
• Повышение КПД до 98-99%
• Интеграция усилителей в однокристальные системы
• Разработка гибридных схем, сочетающих преимущества классов D и AB
• Создание цифровых усилителей с прямой обработкой цифрового аудиосигнала

Будущее усилителей класса D

Усилители класса D имеют большие перспективы и в будущем, вероятно, станут доминирующим типом усилителей в большинстве аудиоустройств. Этому способствуют следующие факторы:

• Постоянное улучшение качества звучания
• Рост популярности портативных и мобильных устройств
• Тенденция к миниатюризации электронных устройств
• Повышение требований к энергоэффективности техники
• Снижение стоимости производства усилителей класса D

Уже сейчас усилители класса D по качеству звучания вплотную приблизились к лучшим линейным усилителям, сохранив при этом свои ключевые преимущества в виде высокого КПД и компактности. В ближайшие годы можно ожидать дальнейшего расширения сферы их применения, в том числе в сегменте высококачественной аудиотехники.

Выбор усилителя: класс D или линейный?

При выборе между усилителем класса D и линейным усилителем следует учитывать несколько факторов:

• Требования к качеству звука: для наивысшего качества всё еще предпочтительнее линейные усилители
• Мощность: для высоких мощностей класс D имеет явное преимущество
• Габариты и вес: если важна компактность, выбор за классом D
• Энергоэффективность: для экономии энергии лучше класс D
• Стоимость: в массовом сегменте усилители класса D часто дешевле

В целом, для большинства современных применений усилители класса D являются оптимальным выбором, сочетая хорошее качество звука с высокой эффективностью и компактностью. Однако для аудиофилов и в некоторых профессиональных применениях линейные усилители всё еще могут быть предпочтительнее.

Усилитель Д класса: режим работы выходного каскада

---

Усилитель Д класса, что это такое и какова особенность его работы. В принципе, усилители D класса часто называют цифровым либо импульсный УНЧ. Собрать его может даже начинающий радиолюбитель, конечно с определенным опытом в электронике. Нужно сразу сказать, что эффективность у него в самом деле высокая, при этом теплоотвод только чуть теплый!

Вообще то, данная статья предназначена для радиолюбителей, у который еще небольшие знания в создании усилителя Д класса. Поэтому, мы сначала вкратце расскажем как такие усилители работают, особенно их выходной каскад.

Что такое усилитель Д класса

В ответе на такой вопрос нет ничего сложного. Просто схемотехника усилителя класса D построена таким образом, что его оконечный тракт работает в режиме ключа. Чтобы было легче воспринять эту информацию и понять принцип его работы, для этого мы поясним на примере усилителя класса AB.

Такие аппараты, как правило имеют невысокую выходную мощность и работают в качестве линейного устройства.

В усилителях с импульсным источником питания, мощные полевые транзисторы (MOSFET) выполняют функции переключателей. Тоесть, в определенный момент открывают и закрывают переходы транзистора затвор, сток и исток.

Для сравнения, ниже показаны две схемы включения транзисторов — первая включение биполярного транзистора структуры NPN, другая выполняет переключение полевого транзистора.

Схема включения и отключения транзистора NPN:

А это схема работы полевого транзистора:

Такой принцип действия, гарантирует довольно высокую производительность полупроводниковых приборов, в пределах 96 процентов. Из этого следует, что выходной каскад усилителя Д класса дает много тепловой энергии. Поэтому нет необходимости устанавливать радиатор с большой площадью рассеивания тепла.

В этом есть существенное отличие от усилителей класса АВ, работающих в линейном подключении. Для примера можно взять усилитель В класса, который способен обеспечить производительность не более 78 процентов, к тому же, это только теоретически.

Ниже показана структурная схема УМЗЧ D класса, или как еще говорят, усилителя с ШИМ-контроллером.

Принцип работы усилителя класса Д

Работа усилителя класса D заключается в следующем. Используя компаратор, входящий импульс переходит в форму прямоугольного вида (меандр). Из этого следует: входящая информация зашифрована в отношении пиковой мощности прямоугольной импульсной установки, называемой скважностью. Импульс прямоугольной формы начинает усиливаться, а далее поступает на фильтр низкой частоты. После этого формируется сигнал близкий по форме к выходящему аналоговому аудиосигналу.

Есть и другой порядок формирования сигнала в импульсы, например: Сигма-дельта-модулятор, но в данном случае мы воспользуемся наиболее простой Широтно-импульсной модуляцией.

На представленном ниже графике показано преобразование входящего сигнала синусоидальной формы в периодический прямоугольный, при этом сопоставляя его с пилообразным сигналом.

Во время размаха пиковой амплитуды положительной полярности, скважность меандра будет сто процентов, а отрицательный максимальный размах составляет ноль процентов. В действительности частота сигнала пилообразной формы во много раз выше, и находится в пределах нескольких сот килогерц. Частотный фильтр не совсем безупречный, следовательно, нужен сигнал пилообразной формы имеющий частоту в десять и более раз выше пиковой 2000 Гц.

Схема УНЧ Д класса

После того, как мы немного ознакомились с особенностями работы усилителя звука класса D, теперь можно попытаться своими силами собрать этот аппарат. Мощные выходные мосфеты желательно установить IRF540N либо IRFB41N15D. Такие полевые ключи обладают малым зарядом затвора, обеспечивающего моментальное переключение.

Вместе с тем, они имеют небольшое значение сопротивления перехода, которое уменьшает потребление электроэнергии. Кроме этого, вы должны быть уверены, что полевой транзистор расчитан на высокое рабочее напряжение перехода сток-исток. Конечно можно применить и N-канальный МОП-транзистор IRF640N, но у него сопротивление перехода RDS(on) гораздо выше. А это может сказаться на эффективности.

Выше показана таблица, дающая сравнительное представление характеристик данных МОП-транзисторов;

Для компоновки печатной платы радио-элементами можно применять SMD-детали, также взамен микросхемы IR2110 можно попробывать IR2011S. Может такое случится, что сразу усилитель не «заведется», но когда это все-таки случится и вы послушаете его звучание, то убедитесь, что время потратили не зря!

Также, может быть Вам будут интересен другой усилитель

Вот еще интересный усилитель класса D 100 Вт

Усилители класса D компании Texas Instruments

3 июня 2009

Традиционные аудиоусилители классов А, В и АВ для мобильных устройств с автономным питанием уже давно перестали устраивать разработчиков из-за их низкого КПД и, как следствие, высокого расхода энергии батареи или аккумулятора. Усилители класса D имеют гораздо более высокий КПД, поэтому именно они наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям к современной портативной технике. Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы и даже мощная усилительная техника для театров и концертных залов) благодаря уменьшению габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с приборами предыдущих поколений классов А, В и АВ. Достижения полупроводниковой технологии последних лет позволили компании Texas Instruments разработать микросхемы для создания высококачественных усилителей звуковой частоты класса D с максимальной выходной мощностью от единиц до нескольких сотен Вт.

Рассеиваемая мощность усилителя, работающего в классе D, существенно меньше, чем у аналогичных приборов класса АВ, работающих в тех же режимах. Это проиллюстрировано на рис. 1 (в качестве примера взята микросхема Texas Instruments TPA2012D2, предназначенная для усилителей портативной техники).

 

 

Рис. 1. Мощности, рассеиваемые усилителями классов АВ и D при одинаковых режимах измерения

Из рисунка 1 хорошо видно, что при одинаковой выходной мощности усилитель класса D имеет потери мощности в несколько раз меньшие по сравнению с аналогичными усилителями класса АВ во всем диапазоне выходных мощностей. Наибольший выигрыш получается при средней выходной мощности. Именно в этом режиме чаще всего и используется аппаратура для воспроизведения звука. Отмеченные свойства дополняет рис. 2, иллюстрирующий зависимости КПД от выходной мощности этих же усилителей при режимах измерения, аналогичных рис. 1. При малой и средней мощностях КПД усилителя класса D в два-три раза выше, чем у усилителя класса АВ.

 

 

Рис. 2. Зависимости КПД от выходной мощности для усилителей класса D и класса АВ при одинаковых режимах измерения

Сравнение эффективности и рассеиваемой мощности для усилителей с очень низкой выходной мощностью может оказаться не в пользу усилителей класса D из-за относительно высокой мощности высокочастотного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине линейные усилители класса АВ при очень низких выходных мощностях иногда оказываются предпочтительнее класса D. Принцип работы простейшего усилителя класса D без обратной связи поясняет рисунок 3.

 

 

Рис. 3. Структурная схема усилителя класса D без обратной связи

Входной сигнал предварительного усилителя модулируется треугольными колебаниями для преобразования в широтно-модулированные импульсы, которые усиливаются выходным каскадом, работающим в ключевом режиме. Далее LC-фильтр низких частот интегрирует импульсы разной длительности и срезает высокочастотные составляющие спектра, оставляя только выделенный сигнал звуковой частоты. Осциллограммы процесса ШИМ для усилителя класса D, выполненного по мостовой схеме, приведены на рис. 4. Модуляция в усилителях класса D может осуществляться разными способами, но наиболее распространена именно ШИМ.

 

 

Рис. 4. Осциллограммы ШИМ в мостовом усилителе класса D

Звуковой сигнал сравнивается с сигналом пилообразной или треугольной формы фиксированной частоты. Первый усилитель на рисунке 3 необходим для предварительного усиления и смещения сигнала до нужного уровня. Второй усилитель и генератор треугольного напряжения образуют модулятор ШИМ. На рисунке 4 длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна уровню входного аналогового сигнала. Мостовой схеме необходимы импульсы ШИМ противоположной полярности для управления другим плечом моста. На рисунках 3 и 4 показаны упрощенные варианты схем. В реальных схемах усилителей класса D обязательно вводятся формирователи времени паузы между импульсами для исключения одновременного включения двух выходных транзисторов и устранения сквозных токов. Частота модуляции и среза низкочастотного фильтра обычно выбирается в несколько раз больше верхней граничной частоты пропускания усилителя. К выбору элементов LC-фильтра необходимо относиться очень внимательно. Этому вопросу уделяется особое внимание в документации производителя и руководствах по применению.

Texas Instruments выпускает микросхемы для создания усилителей класса D низкой, средней и высокой мощности. Параметры для усилителей класса D низкой мощности приведены на рис. 5 и в табл. 1.

 

 

Рис. 5. Микросхемы для усилителей класса D с низкой и средней выходной мощностью

Таблица 1. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c низкой и средней выходной мощностью (аналоговый вход) 

Наименование	Описание	Стерео/ моно	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Half Power THD+N* (%), F = 1 кГц	PSSR** дБ	Корпус(а)
					(min)	(max)
TPA2017D2	SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс	Стерео	2,8	4	2,5	5,5	0,2	80	QFN-20
TPA2000D2	усилитель средней мощности	Стерео	2,5	3	4,5	5,5	0,05	77	TSSOP-24
TPA2000D4	усилитель для стереотелефонов	Стерео	2,5	4	3,7	5,5	0,1	70	TSSOP-32
TPA2012D2	усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм	Стерео	2,1	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2	SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс	Стерео	1,7	8	2,5	5,5	0,2	80	WCSP-16
TPA2001D2	усилитель низкой мощности	Стерео	1,25	8	4,5	5,5	0,08	77	TSSOP-24
TPA2100P1	для пьзокерамического излучателя	Моно	19 Vpp	1,5 мкФ (пьезо)	2,5	5,5	0,2	90	WCSP-16
TPA2035D1	дифференциальный вход, 1,5 х 1,5 мм	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2032/3/4D1	дифференциальный вход, фикс. усиление	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2013D1	встроенный повышающий DC/DC-преобр.	Моно	2,7	4	1,8	5,5	0,2	95	WCSP-16, QFN-20
TPA2036D1	защита от КЗ с автовосстановлением	Моно	2,5	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2031D1	аналог TPA2010D1, но с плавным стартом	Моно	2,5	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2010D1	дифференциальный вход;1,45 х 1,45 мм	Моно	2,5	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2018D1	SmartGain AGC/DRC, I2C интерфейс	Моно	1,7	8	2,5	5,55	0,2	80	WCSP
TPA2014D1	встроенный повышающий DC/DC-преобр.	Моно	1,5	8	2,5	5,5	0,1	91	WCSP-16, QFN-20
TPA2006D1	дифференциальный вход	Моно	1,45	8	2,5	5,5	0,2	75	QFN-8
TPA2005D1	дифференциальный вход	Моно	1,4	8	2,5	5,5	0,2	75	MSOP-8, QFN-8, BGA-15
*Half Power THD+N – (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц). **PSSR – Power Supply Rejection Ratio – коэффициент подавления помех по цепям питания

В первую очередь эти микросхемы предназначены для встраивания в мобильные устройства. Подавляющее большинство таких усилителей расчитано на напряжение питания от 2,5 до 5,5 В, но микросхема одноканального усилителя TPA2013D1 имеет расширенный диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В благодаря встроенному повышающему DC/DC-преобразователю (Boosted DC/DC). Это позволило обеспечить постоянство выходной мощности при всем диапазоне рабочих напряжений питания по сравнению с обычными усилителями класса D, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6.

 

 

Рис. 6. Зависимости выходной мощности для TPA2013D1 и для обычных усилителей класса D

При выходной мощности около 1,5 Вт в диапазоне напряжений питания от 2,3 до 4,8 В характеристика находится в пределах ±0,1 Вт. Большинство обычных усилителей этого класса имеют практически линейную зависимость максимальной выходной мощности от напряжения питания. Преимущество усилителей со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем – возможность работы при гораздо более низком напряжении питания батареи (или при ее более глубоком разряде), что повышает степень использования автономного источника питания.

Структурная схема микросхем TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-конвертером показана на рис. 7.

 

 

Рис. 7. Структурная схема TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем

В микросхемах предусмотрена защита от нежелательных переключений при коммутации повышающего DC/DC-преобразователя. Встроенный стабилизатор обеспечивает стабильность характеристик в широком диапазоне напряжений питания. При необходимости выход повышающего DC/DC-преобразователя можно использовать для питания маломощных дополнительных схем портативного устройства. Если внимательно посмотреть на параметр PSSR (коэффициент подавления помех по цепям питания) в табл. 1, то бросается в глаза, что именно усилители со встроенными повышающими DC/DC имеют существенно лучшие значения этого параметра (91…95 дБ) по сравнению с остальными усилителями этого класса.

Среди усилителей с низкой и средней выходной мощностью есть и специализированный для работы на пьезокерамический излучатель с допустимой емкостью до 1,5 мкФ. При этом размах выходного напряжения на емкостной нагрузке достигает 19 В (от пика до пика) при минимально допустимом напряжении питания всего 2,5 В. Необходимо обратить внимание, что параметр (THD + N), характеризующий суммарные гармонические искажения вместе с шумовыми составляющими, измеряется на частоте 1 кГц при половине мощности от допустимого максимального значения.

На рис. 8 приведен навигатор для выбора микросхем усилителей класса D высокой мощности (отсчет высокой мощности для этого класса усилителей Texas Instruments начинает с 3 Вт).

 

 

Рис. 8. Микросхемы для усилителей класса D высокой мощности 

Основные параметры этих микросхем сведены в табл. 2. Некоторые из микросхем, приведенных на рис. 8 и в табл. 2, относятся только к анонсированной продукции, поэтому возможность поставки образцов необходимо проверять на сайте производителя.

Таблица 2. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c высокой выходной мощностью (аналоговый вход)

Наименование	Описание	Pвых Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Half Power THD+N* (%), F = 1 кГц	PSSR**, дБ	Корпус(а)
				(min)	(max)
TAS5630	300 Вт усилитель (стерео) с ОС	300	TBD***	TBD	50	TBD	80	QFP-64
TAS5615	150 Вт усилитель (стерео) с ОС	150	TBD	TBD	50	TBD	80	QFP-64
TAS5412	усилитель (стерео) с несимметричным входом	100	2	6	24	0,04	75	HTQFP-64
TAS5422	усилитель (стерео) с симметричным входом	100	2	6	24	0,04	75	HTQFP-64
TAS5414A	усилитель (квадро) с несимметричным входом	45	2	8	22	0,04	75	SSOP-36, HTQFP-64
TAS5424A	усилитель (квадро) с симметричным входом	45	2	8	22	0,04	75	SSOP-44
TPA3106D1	усилитель (моно) со входом синхронизации	40	4	10	26	0,2	70	HLQFP-32
TPA3123D2	усилитель (стерео) с несимметричным входом	25	4	10	30	0,08	60	HTSSOP-24
TPA3100D2	усилитель (стерео) 20 Вт	20	4	10	26	0,1	80	HTQFP-48, QFN-48
TPA3001D1	усилитель (моно) 20 Вт	20	4	8	18	0,06	73	HTSSOP-24
TPA3110D2	усилитель (стерео) с ограничением мощности	15	4	8	26	<0,1	70	TSSOP-28
TPA3122D2	усилитель (стерео) в корпусе DIP-20	15	4	10	30	<0,15	60	PDIP-20
TPA3107D2	усилитель (стерео) 15 Вт	15	6	10	26	0,08	70	HTQFP-64
TPA3124D2	усилитель (стерео) 15 Вт с функцией Mute****	15	4	10	26	0,04	60	TSSOP-24
TPA3121D2	усилитель (стерео) с несимметричным входом	15	4	10	26	0,04	60	TSSOP-24
TPA3004D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	12	4	8,5	18	0,1	80	HTQFP-48
TPA3125D2	усилитель (стерео) в корпусе DIP-20	10	4	10	26	0,15	60	PDIP-20
TPA3101D2	усилитель (стерео) 10 Вт	10	4	10	26	0,1	80	HTQFP-48, QFN-48
TPA3111D1	усилитель (моно) с ограничением мощности	10	4	8	26	<0,1	70	TSSOP-28
TPA3002D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	9	8	8,5	14	0,06	80	HTQFP-48
TPA3007D2	усилитель (стерео) 6. 5 Вт	6,5	8	8	18	0,2	73	TSSOP-24
TPA3009D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	6	8	8,5	14	0,045	80	HTQFP-48
TPA3005D2	усилитель (стерео) 6 Вт	6	8	8	18	0,1	80	HTQFP-48
TPA3003D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	3	8	8,5	14	0,2	80	TQFP-48
TPA2008D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	3	3	4,5	5,5	0,05	70	HTSSOP-24
*Half Power THD+N – (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц) **PSSR – Power Supply Rejection Ratio – коэффициент подавления помех по цепям питания ***TBD – To Be Documented – данные будут указаны производителем позднее ****Mute – приглушение звука

На основе микросхем Texas Instruments можно спроектировать усилитель класса D с выходной мощностью до 300 Вт при максимальном напряжении питания до 50 В.

Большой интерес для разработчиков могут представлять новые двухканальные микросхемы для усилителей этого класса TPA3122D2 и TPA3125D2 в корпусе DIP20.

 

 

Рис. 9. Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении каждого канала в режиме SE

 

 

Рис. 10. Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении двух каналов по мостовой схеме 

Этот корпус удобен для монтажа и макетирования по сравнению с миниатюрными корпусами BGA с шариковыми выводами. Схема включения этих стереоусилителей отличается простотой и приведена на рис. 11. Синим цветом выделены параметры, соответствующие TPA3125D2 (мощность до 10 Вт), красным цветом – TPA3122D2 (мощность до 15 Вт).

 

 

Рис. 11. Схема включения микросхем TPA3125D2 и TPA3122D2 для 10 и 15 Вт соответственно 

Микросхемы имеют два входа регулировки усиления (четыре уровня), а также возможность отключения (Shutdown) и приглушения звука (Mute). На рис. 11 показан самый распространенный вариант включения двухканального усилителя в режиме SE (Single Ended Output – нагрузка подключается к каждому каналу – режим «стерео»). Для существенного увеличения выходной мощности рассматриваемых микросхем можно из двух каналов одной микросхемы создать одноканальный мостовой усилитель (схема BTL – Bridge Tied Load – подключение нагрузки к мостовой схеме). Принципиальные схемы включения микросхем TPA3125D и TPA3122D для мостового варианта усилителя класса D приведены в документации производителя для этих усилителей. На рис. 9 и 10 показаны зависимости выходной мощности от напряжения питания при одинаковых условиях измерения для схем в режиме «стерео» (SE) и для варианта мостового включения (схема BTL).

Измерение максимальной выходной мощности оценивается при конкретном значении суммы всех гармонических искажений и шумовых составляющих (THD + N). При переходе к мостовой схеме включения на одинаковых напряжениях питания, сопротивлении нагрузки и суммарных искажениях сигнала, выходная мощность возрастает в несколько раз. Поэтому в мощных усилителях обычно используют именно мостовую схему включения. Всего одна микросхема в корпусе DIP20 при таком подключении позволяет создать усилитель с максимальной выходной мощностью около 50 Вт при напряжении питания 30 В.

 

Шумы и нелинейные искажения

Основная информация о звуковом сигнале кодируется шириной импульсов на выходе модулятора. Необходимость введения задержки на величину паузы становится причиной нелинейных искажений, пропорциональных отклонению от точной длительности импульса модуляции. Сильное влияние на шумы оказывает коэффициент ослабления помех от источника питания PSSR. Из-за малого сопротивления шумы источника питания могут напрямую передаваться в громкоговоритель. ФНЧ срезает высокочастотные составляющие, но пропускает низкочастотные шумы. Для качественного звучания следует выбирать микросхемы с высоким значением коэффициента ослабления помех от источника питания. Эффективное решение перечисленных проблем – введение глубокой обратной связи, как это делается во многих линейных усилителях. Обратная связь с входа ФНЧ сильно повышает PSSR и ослабляет суммарные искажения и шумы, появляющиеся до LC-фильтра. Искажения в самом фильтре можно уменьшить включением громкоговорителя в цепь ОС. В грамотно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС реально достижим суммарный коэффициент нелинейных искажений менее 0,01%.

 

Основные выводы

Все больше новых аудиоустройств создается на основе экономичных и эффективных усилителей класса D. Многолетний опыт и новые технологии компании Texas Instruments позволяют ей уверенно чувствовать себя на этом рынке с высокой конкуренцией. Усилители класса D позволяют, повышая эффективность, в несколько раз снизить габариты за счет исключения или значительного уменьшения размеров радиаторов в мощных схемах. Требуется менее мощный источник питания, что дополнительно снижает цену усилительного прибора. Для многих рассмотренных в статье микросхем Texas Instruments выпускает демонстрационные платы. Ознакомиться с решениями для построения аудиосистем можно на сайте производителя в разделе www.ti.com/audio, а по системам управления питанием – в разделе www.power.ti.com.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected] 

•••

Наши информационные каналы

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ УСИЛИТЕЛЯ Д КЛАССА ( Цифровые)

Импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится).  Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть. Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается. Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной. Основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой. Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах. В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR). В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах. В общем что мы имеем, это не дорогой усилитель высокого класса, хотя как и во всем имеет значение его стоимость. Чем выше реализация усилителя в Д классе, тем он дороже.

Классы усилителей мощности | ldsound.ru

Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т.п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).

Первая буквенная классификация, действующая по сей день (режимы А, B и С), сформировалась в 1920-е годы и была дополнена режимом, или классом, D в 1955 году. Начавшийся в 1960-е годы выпуск высокочастотных силовых транзисторов сделал возможным построение экономичных транзисторных усилителей радиочастот классов E и F. Последовательное усовершенствование транзисторных усилителей мощности звуковых частот класса B привело к разработке усилителей классов G и H. Единого реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква (например, S) может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот. Буква, широко используемая в одной области электроники (класс F с его производными F1, F2, F3 и т. д.), в другой области может считаться «свободной». Кроме того, есть «классы усилителей» — торговые марки компаний-производителей и стоящие за ними частные технические решения. Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие известны только по рекламе производителей.

 

Традиционная классификация: класс А, B, С и D

 

В 1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис, опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работы были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось. В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.

Одна и та же схема двухтактного усилителя может работать в режимах А, АB, B и C. Режим задаётся выбором напряжения смещения на сетках (V_с):

 

Формулировки стандарта IRE были составлены в терминах выбора управляющих напряжений на сетке лампы, обеспечивающего непрерывное (А) или прерывающееся (B и C) протекание анодного тока. В других отраслях электроники сложились иные, эквивалентные формулировки. Конструкторы радиоприёмных устройств оперировали понятием угла проводимости гармонического сигнала, а конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока — выбором рабочей точки на передаточной (анодно-сеточной) или выходной (вольт-амперной) характеристике лампы.

В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада («режимом А называют такой режим работы усилительного элемента…»), понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).

 

Режим усилителей класса А

 

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360º.

 

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М.А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы». При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя. В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим.

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20%, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УМЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

 

Режимы усилителей класса B и AB

 

В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину. Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение боольшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.

 

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5%, реального транзисторного каскада — примерно 72%. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки P_макс(R_н). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 P_макс(R_н), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46% от P_макс(R_н), а КПД каскада уменьшается до 40%. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться.

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B, всегда устанавливается небольшой, но не нулевой ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5-15% от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10-100 мА на каждый транзистор. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при боольших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.

В современной литературе нет единого мнения о классификации таких двухтактных транзисторных каскадов. По мнению Джона Линдси Худа и Боба Корделла, их следует рассматривать как режим AB. По мнению Г С. Цыкина, Дугласа Селфа и А.А. Данилова это режим B. С их точки зрения, полноценный режим AB начинается при существенно боольших токах покоя (и сопровождается неприемлемо большим уровнем переходных искажений).

 

Режим усилителей класса C

 

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°). В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы. Предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5%, а перенапряжённого — 100%. Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД.

 

В англоязычной литературе и недонапряжённый, и перенапряжённый режимы относят к «классическому», или «настоящему», режиму С (англ. classic Class C, true Class C). Современные усилители мощности радиочастот обычно работают в ином, «смешанном» режиме С (англ. mixed-mode Class C), который иногда выделяется в особый «режим СD». В течение одного периода транзистор такого усилителя последовательно проходит через четыре фазы — отсечки, нарастания коллекторного тока, насыщения и снижения тока, причём длительность активных фаз (нарастания и снижения тока) сопоставима с длительностью фаз отсечки и насыщения.

 

Режим усилителей класса D

 

Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951) и Алеком Ривзом (Великобритания). В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику. В 1964 году в Великобритании выпустили первые транзисторные УМЗЧ класса D, не имевшие коммерческого успеха, в 1974 и 1978 столь же безуспешные попытки предприняли Infinity и Sony. Массовый выпуск усилителей этого класса стал возможен только после отладки производства силовых МДП-транзисторов, состоявшейся в первой половине 80-х годов.

 

Структурная схема усилителя класса D без петли обратной связи

 

В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами мОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90%, в наиболее экономичных образцах 95%, при этом он мало зависит от выходной мощности. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B.

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения.

Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения, но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за мёртвого времени между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя. В отличие от традиционных усилителей, в той или иной мере подавляющих нестабильность питающих напряжений, в усилителях класса D низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его по амплитуде. Чтобы снизить эти искажения, конструкторы перешли от синхронной ШИМ к асинхронной модуляции с переменной частотой следования импульсов и к сигма-дельта-модуляции (способ модуляции, обеспечивающий оцифровку сигнала с заданными характеристиками в рабочей полосе частот). Неизбежным следствием этого стал рост частоты переключения выходных транзисторов до десятков МГц и снижение КПД из-за роста потерь при переключении. Для того чтобы снизить эти потери, конструкторы применили простейшие цифровые схемы, уменьшавшие частоту переключения (например, преобразовывавшие последовательность управляющих импульсов 01010101…, соответствующую нулевому входному напряжению, в 0011…, 00001111… и так далее). Естественным развитием этого подхода стал полный отказ от аналоговой модуляции и переход к чисто цифровой обработке входных сигналов, а побочным следствием — разрастание номенклатуры однобуквенных «классов усиления».

В 1998 году основанная Адья Трипати компания Tripath выпустила полностью цифровой интегральный УМЗЧ класса D с заявленными показателями качества, приближавшимися к показателям «обычных» усилителей высокой верности. Новые микросхемы пошли в продажу под вывеской «класса Т» и получили в целом положительные отзывы прессы и радиолюбителей. Усилитель Tripath TA2020 вошёл в список «25 микросхем, которые потрясли мир» журнала IEEE Spectrum, а сама компания прекратила существование в 2007 году, не выдержав конкуренции с крупными производителями. За «классом T» последовали «класс J» компании Crown International, «класс TD» компании Lab.gruppen, «класс Z» компании Zetex и радиочастотный «класс M» компании PWRF. Обозреватель журнала EDN Пол Рейко заметил, что «cочинение новых ”классов усилителей” — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компании больше вреда, чем пользы … хотите новый класс усиления — купите Allen-Bradley (производитель ракеты Tomahawk) и изобретите заново класс AB».

 

Эволюция усилителей звуковой частоты: классы G, H, …

 

Класс G c переключением

 

Следящий класс G и класс Н

 

Гибридный класс D («класс TD»)

 

Гибридный класс D

 

Максимальная мощность усилителя звуковой частоты, определяемая в том числе напряжением его питания, бывает востребована относительно редко. Боольшую часть времени усилитель воспроизводит сигналы относительно небольшой амплитуды. В усилителях классов B или AB это сопровождается высокими абсолютными потерями энергии при малом КПД (10—40%). Чтобы уменьшить потери и повысить КПД, следует снизить напряжение питания — но усилитель с низким напряжением питания окажется неспособным воспроизводить редкие пиковые фрагменты входного сигнала. Решение этой дилеммы предложил в 1964 году инженер НАСА Мануэль Крамер. По идее Крамера, усилитель класса B или AB следовало питать от источника напряжения с двумя или тремя комплектами шин питания. При воспроизведении сигналов малой амплитуды выходной каскад подключен к шинам с низким напряжением питания, а с ростом уровня сигнала он переключается на питание от шин с высоким напряжением.

Серийный выпуск таких УМЗЧ начала в 1977 году компания Hitachi. Новинка получила маркетинговый ярлык «класса G», который прижился в японской и британской литературе и стал признанным дополнением традиционной классификации усилителей. Японские усилители класса G спросом не пользовались, а аналогичная конструкция Боба Карвера, выпущенная в 1981 году, прижилась на американском рынке профессионального оборудования. Придуманное Карвером название «класс H» закрепилось в американской литературе, и некогда универсальная классификация распалась на региональные ниши — «американскую» и «англо-японскую». С течением времени американские авторы вернулись к «англо-японским» обозначением — именно их используют, например, Деннис Бонн (2012) и Боб Корделл (2011). Современное понятие «класса G» объединяет два подхода к переключению шин питания — ступенчатое и плавное переключение, и два подхода к схемотехнике выходного каскада — последовательное включение («внутренний» каскад собственно УМЗЧ вложен во «внешний» каскад управления шинами питания) и параллельное (два выходных каскада, «низковольтный» и «высоковольтный», подключены к нагрузке в параллель).

Следующим этапом развития экономичных усилителей стал «европейский» класс H — усилители с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на верхней (для положительной полуволны) или нижней (для отрицательной полуволны) шине питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания. В более сложном варианте, применяемом в микросхемах автомобильных УМЗЧ, применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтодобавки до требуемых значений. За классом Н последовали разнообразные схемы гибридов усилителей классов B и D. В этих конструкциях «грязный» усилитель класса D формирует напряжение на шинах питания «чистого» усилителя в классе B или AB (реже — класса H), подключенного к нагрузке. Варианты таких усилителей получили названия «гибридного класса D», «класса TD» или «следящего класса D», «класса A/H», «класса К» (от Корея) и т.п. «Класс BD», напротив, не является гибридным — это всего лишь ранний вариант класса D с синхронной ШИМ.

 

Эволюция радиочастотных усилителей: классы E, F, …

 

Схемотехника радиочастотных усилителей развивается в двух основных направлениях: повышение рабочей (несущей) частоты сигнала и повышение коэффициента полезного действия в уже освоенных частотных диапазонах. В 1985 году транзисторные усилители, работающие на относительно низких частотах, достигли КПД в 95-98%, а уже на частоте в 30 МГц КПД снижался до 80%. К 2000 году то же значение КПД в 80% стало нормой для диапазона 900 МГц. На этих частотах задержка переключения транзистора становится сопоставимой с периодом несущей частоты, и грань между ключевыми режимами и режимами управляемого источника тока стирается. При этом не существует ни единой теории, описывающей процессы в сверхвысокочастотных мощных каскадах, ни единого метода анализа и оптимизации таких каскадов — даже давно известного каскада в смешанном режиме С.

В 1975 году попытку такого анализа провели отец и сын Натан и Алан Сокал. Взяв за основу хорошо известный ключевой каскад, они поставили задачу минимизации потерь во время переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Сокал сформулировали принцип работы экономичного усилителя мощности, названного ими «классом E». При выключении транзистора ток через него должен уменьшится до нуля до того, как начнёт нарастать коллекторное напряжение, а при включении — напряжение на коллекторе должно упасть до нуля до того, как начнёт нарастать ток. Сочетание высокого напряжения и большого тока недопустимы. Таким образом, утверждал Натан Сокал, возможно снизить потери с 35% до 15% потребляемой мощности даже на частотах, на которых задержка включения транзистора составляет 30% периода несущей частоты.

Альтернативный подход к снижению потерь — спектральное (гармоническое) разделение токов и напряжений в выходном каскаде. Нагрузка такого усилителя состоит из нескольких резонансных контуров, настроенных на пропускание чётных гармоник несущей частоты и на подавление нечётных гармоник. В идеале форма тока такого каскада содержит, помимо несущей частоты, только её чётные гармоники, а форма напряжения на коллекторе или стоке мощного транзистора — только нечётные. В реальных усилителях используется два или три контура, поэтому формы токов и напряжений существенно отличаются от идеальных. Усилители такого рода обычно выделяются в особый класс F, но в литературе также встречаются термины «экономичный класс С», «оптимальный класс С», «мультирезонансный класс С», HRA (англ. harmonic reactance amlifier), HCA (англ. harmonic control amplifier) и даже «класс Е» (в смысле, отличном от класса Е по Сокалу). В зависимости от конфигурации контуров и выбора подавляемых и пропускаемых гармоник внутри класса F выделяют подклассы F1, F2, F3, F-1 («обратный», или «инверсный», F) и т.п.

Еще одна статья по классам усиления

Схема усилителя мощности класса D

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ СТРАНИЦЫ: ПОДБОРКА СХЕМ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА D МЕНЮ     РЕКЛАМА

ПОИСК ПО САЙТУ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА D       Небольшой обзор способов построения усилителей мощности звуковой частоты класса D с использованием микросхем на различную мощность и различные технические характеристики. На странице используются материалы журналов:       «Радиохобби» №5 за 2000г.       «Радиохобби» №1 за 2004г.       «Радиохобби» №3 за 199г.  УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D       ИМС TPA005D14 фирмы Texas Instruments (ориент. цена $4,4) содержит (блок-схема на рис. 1) 2 мостовых УМЗЧ класса D с балансными входами (LINP/LINN, RINP/RINN), развивающих на 4-омной нагрузке по 2 Вт (до 5 Вт пиковой; LOUTN/LOUTP, ROUTN/ROUTP) при коэффициенте гармоник до 0.4%, а также 2 УМЗЧ класса АВ для головных телефонов (входы HPLIN/HPRIN, выходы HPLOUT/ HPROUT), развивающих по 50 мВт на нагрузке 32 Ома при коэффициенте гармоник до 0,05%. Все характеристики гарантируются при напряжении питания 5 В, что делает ИМС очень привлекательной для устройств с автономным питанием. На рис.2 дано сравнение потребляемого тока в функции выходной мощности для ТРА005 (нижний график) и аналогичного по мощности усилителя класса АВ (ИМС ТРА0202, верхний график), из которого видно, что при мощности 1-2 Вт срок жизни батарей продлевается в 2-3 раза. График зависимости КПД от выходной мощности приведен на рис.3. Встроенный задающий генератор RAMP GENERATOR (рис.1 ) рабо-тает на частоте 150 — 450 кГц (задается внешним конденсатором на выводе 48 — Cose), обычные 400 для современных здо ИМС УМЗЧ системы защиты от перегрева и перегрузки системой отключения при снижении питающего напряжения.             Рекомендуемая схема включения приведена на рис.4. Если нет необходимости применять балансные входы, то LINN и RINN можно оставить «в воздухе». Низкий ло-гически и уровень на вхо-дах MUTE и SHUTDOWN приводит соответственно к приглушению и отключению (в последнем случае потребляемый ток снижается до 0,2 мкА). Напряжение на входе MODE управляет включением основного усилителя (MODE = 0) с одновременным приглушением телефонного и наоборот (MODE =1). Логические уровни на выводах FAULT можно использовать для диагностики: FAULTO=FAULT1=1 со-ответствуют нормальной работе, FAULTO=FAULT1=0-TepMo-защита включена, FAULTO=0/FAULT1=1 — напряжение пита-ния ниже допустимого, FAULTO=1/FAULT1=0 — перегузка вы-хода по току. Входное сопротивление основного усилителя (LINP/LINN, RINP/RINN) 10 кОм, телефонного (HPLIN/HPRIN) 1 МОм, динамический диапазон соответственно 70 дБ и 90 дБ, диапазон усиливаемых частот 20-20000 Гц (-3 дБ) у обо-их, коэффициент передачи 20 дБ. Максимальный выходной ток основного усилителя — 5А. ИМС выполнена в корпусе TSSOP48       ИМС 10-ваттного УМЗЧ SGS-Thomson TDA7480 (цена около $1,4) выполнена в 20-выводном корпусе DIP20 (шаг 2,54 мм), также не требует внешнего радиатора и очень удобна для применения в телевизорах. Типовая схема включения приведена на рис.6, а рисунок печатной платы — на рис.7. Частота встроенного опорного генератора задается в пределах от 100 до 200 кГц резистором R4 (диапазон изменения его сопротивления — от 7 кОм для максимальной частоты до 14 кОм для минимальной).       При максимальной выходной мощности 10 Вт на корпусе микросхемы рассеивается 1,8 Вт, что при тепловом сопротивлении 80 °С/Вт может привести к перегреву. Для предотвращения этого при постоянной работе в режиме с максимальной мощностью ИМС рекомендуется монтировать с тепловым контактом нижней поверхности корпуса и фольги печатной платы. При этом тепловое сопротивление снижается в зависимости от площади фольгированного участка в соответствии с графиком рис.8 и тепловой режим значительно облегчается (достаточна площать фольги 12 см2). Типовый коэффициент гармоник 0,1%, КПД 85%, диапазон напряжений питания ±10. ..±13 В, максимальный выходной ток 5 А, ток потребления в паузе 30 мА (в режиме Stand-By не более 3 мА; для перевода в Stand-By потенциал вывода 12 должен быть не выше 0,7 В). Входное сопротивление 30 кОм, коэффициент передачи 30 дБ, приведенное ко входу напряжение собственных шумов <12 мкВ (<8 мкВ взвеш. по кривой «МЭК-А»). Встроенный стабилизатор подавляет пульсации питающих напряжений не менее чем на 60 дБ. Встроенная термозащита срабатывает при температуре корпуса 150 °С.       Технологические модификации описанной ИМС в корпусе Multiwatt15 (тепловое сопротивление кристалл-корпус -2,5 °С/Вт, двухрядное расположение выводов с шагом 1.27 мм) выпускаются под названием TDA7481 (выход-       ная мощность 18 Вт) и TDA7482 (вых. мощность 25 Вт, цена около $2,5). Рекомендуемая схема включения приведена на рис.9, а рисунок печатной платы — на рис. 10.       Напряжение питания TDA7481/82 повышены до ±25 В, а КПД 87%, ток потребления в паузе 30 мА, остальные характеристики повторяют TDA7480. Применение этих ИМС оправдано в тяжелых климатических условиях (при монтаже ИМС на радиаторах). УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D       Двухчиповое решение УМЗЧ класса D на паре LM4651N (драйвер) + LM4652TF (4 мощных МОП-ключа) разработано в 2000 году фирмой National Semiconductor специально для мощных высококачественных сабвуферов (Dolby Digital, THX и др. систем «домашнего театра»). Это конкурент описанному в Минисправочнике «РХ» №3/99 (с.34) и Суперсабвуфере «РХ» №2/00 (с.= A/2/(2reRC1) выбирается в диапазоне 60-180 Гц под конкретную акустику.       При изменении сопротивления резистора Rose (вывод 16 LM4651) от 0 до 15 кОм частота встроенного опорного генератора изменяется примерно от 225 до 75 кГц, fosc = 109/(4000 + Rose). Для повышения КПД частоту генератора следует выбирать поменьше (это решение оптимально для сабвуферов, верхняя граница полосы которых составляет несколько сотен Гц), а для получения линейной АЧХ вплоть до 20 кГц — побольше.       Резистором RSCKT задается порог срабатывания защиты от к.з. выхода (10 А мин.). Конденсатор CSTRT задает время «мягкого» старта ШИМ-системы (рис. 13) при подаче питания: tSTART = 8,4 х 104 CSTRT , где емкость и время имеют размерности соответственно Ф и с.       Выходная мостовая ступень LM4652 охвачена общей аналоговой линеаризующей ООС через ФНЧ RFLCFL (фильтрует полезный сигнал из ШИМ) и через инструментальный усилитель Feedback Instrumentation Amp с единичным усилением (преобразует парафазный сигнал в однофазный).       В дополнение к стандартным системам защиты от к.з., токовых перегрузок и перегрева, LM4651 снабжена системами мягкого отключения при снижении напряжения питания (ниже порога ±10,5 В), а также системой защиты от ШИМ-перемо-дуляции, которая ограничивает минимальную длительность импульсов ШИМ-последовательности и предотвращает «жесткое» ограничение (рис. 14). Ее действие близко в аналоговым системам мягкого ограничения «soft clipping» и благоприятно отражается не только на надежности устройства, но и на качестве звука.       Коэффициент передачи устройства определяется выражением       Ки = [(Rf /R1 )х (VCC /1.75)]/{1 + [(Rf /R1 )х (Rf /R2 ) х (Rfl2 / (RfM +Rfl2 ))x (VCC /7)]}, с указанными на схеме номиналами он составляет 7,5 (17,5 дБ), что при номинальном выходном напряжении 22,4 В (мощность 125 Вт на нагрузке 4 Ома) задает номинальное входное напряжение 3 В (без учета дополнительного усиления на 20 дБ фильтром рис.12).       Система термозащиты состоит из датчика температуры, встроенного в подложку LM4652 и выдающего напряжение высокого логического уровня на выводе 4 при достижении предельной температуры 150 °С. Этот сигнал поступает на вывод 12 LM4651, прекращая генерирование управляющего ШИМ-напряжения до прекращения термоперегрузки.       Максимальная выходная мощность на нагрузке 4 Ома достигает 170 Вт, на нагрузке 8 Ом — 90 Вт, КПД 85%, ток потребления в паузе 125 мА, в режиме STDBY17 (переключатель S1) мА. Рассеиваемая на обеих микросхемах мощность в самом неблагоприятном режиме не превышает 22 Вт, что позволяет обойтись небольшим радиатором. Типовый коэффициент гармоник 0,3 %.Напряжение питания ±11…±22 В.       На рис. 15 показаны конструктивные размеры (в дюймах и в скобках — в миллиметрах) обеих ИМС — LM4651N (сверху) + LM4652TF (снизу).       На рисунках приведены типовые зависимости максимальной выходной мощности от напряжения питания (рис. 16), коэффициента гармоник от выходной мощности (рис. 17, слева для нагрузки 4 Ома, справа — 8 Ом), рассеиваемой мощности и КПД от выходной мощности (рис. 18), максимальной мощности и КПД от частоты опорного генератора (рис.19), тока котребления в паузе от частоты опорного генератора (рис.20). усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ ЕЩЕ ОДИН ВАРИАНТ УСИЛИТЕЛЯ КЛАССА D ОТ «КИТов» Ниже приведенный материал был взят с сайта «МАСТЕР КИТ»       Предлагаемый набор позволит радиолюбителю собрать надежный мощный усилитель НЧ работающий в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме, обеспечивая выходную мощность 80 Вт в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт. Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера. Технические характеристики Напряжение питания (двуполярное) +/-15…30 В Типовое +/- 25 В Пиковое значение выходного тока 8 А Ток в режиме покоя 50 мА Ток в режиме ST-BY 0,5 мА Максимальная электрическая выходная мощность (стерео) при Кг=0.5%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом 65 Вт Максимальная электрическая выходная мощность (стерео) при Кг=10%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом 80 Вт Максимальная электрическая выходная мощность (мост) при Кг=0.5%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом 120 Вт Максимальная электрическая выходная мощность (мост) при Кг=10%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом 140 Вт Коэффициент усиления (стерео), Au 30 дБ Коэффициент усиления (мост), Au 36 дБ КПД 94 % Диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц Размеры печатной платы 62×73 мм   Описание работы модуля       Принцип работы усилителя класса D (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте), ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция — ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме. Это позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя.       Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте Fраб = 360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема DA1 содержит два идентичных канала формирования сигнала, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом на DA2.       Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1 (+), Х2 (общий) и Х3 (-).       В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN1), Х2 (+IN1) и Х3 (-IN2), Х4 (+IN2). Нагрузка подключается к Х5 (-OUT2), Х6 (+OUT2) и Х7 (-OUT1), Х8 (+OUT1).       В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN), Х2 (+IN) или Х3 (-IN), Х4 (+IN). Нагрузка подключается к Х8 (+OUT) и Х5 (-OUT).       Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть, а перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.       Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть, а перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки микросхемы DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.       Переключатель SW1 предназначен для управления режимом работы усилителя (ON/MUTE/OFF). При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл). Конструкция       Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита с размерами 62×73 мм. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого имеются монтажные отверстия по краям платы под винты диаметром 2,5 мм.       Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод (в комплект набора не входит). Поскольку КПД УМ составляет 94 % — тепловые потери минимальны даже на максимальной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС. Между корпусом микросхемы и радиатором необходимо установить диэлектрическую теплоизоляционную прокладку. УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D       При самостоятельной сборке рекомендуется воспользоваться печатными платами, черетежи которых приведены ниже, поскольку усилитель весьма капризен к разводке проводников. ОПИСАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ В РАДИОХОББИ №1 за 2004г. Григорий Ганичев г. Москва Мощный УНЧ класса “D” 140 Вт или 2х80 Вт       Эта статья посвящена мощному усилителю НЧ работающему в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме обеспечивая выходную мощность 80 Вт (4 Ом) в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт (8 Ом). Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера. УМ обладает высокими эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью, простотой в изготовлении/подключении и оптимальным соотношением цена/качество, что на сегодняшний день является немаловажным фактором. Собрать устройство можно из набора МАСТЕР КИТ NM2045 .       Принцип работы усилителя класса “D” (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте) ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция — ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием ПТ работающих в ключевом режиме, что позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя. Блок-схема такого устройства приведена на рис.1. Рисунок 1. Блок-схема усилителя класса “D”       Фирма Philips выпустила набор микросхем, позволяющих реализовать данный схемотехнический принцип и построить высококачественную усилительную систему класса “D”. Этот набор состоит из двух ИМС – микросхемы драйвера (TDA8929T) и микросхемы мощного ключевого оконечного каскада (TDA8927J). Микросхема драйвера выпускается только в корпусе с планарными выводами и содержит два идентичных канала формирования ШИМ сигнала, генератор несущей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом. Микросхема оконечного каскада выпускается в выводном корпусе типа DBS17P и содержит два идентичных ключевых УМ. Эту ИМС при умеренных нагрузках совсем не обязательно устанавливать на радиатор – поскольку КПД всей системы составляет около 95% и выделяемая тепловая мощность крайне мала. Используя эти микросхемы можно построить двухканальный УМ развивающий мощность 80Вт в каждом канале на нагрузке 4 Ом, или мостовой одноканальный усилитель. При этом мощность на нагрузке возрастет в 4 раза.       Перед специалистами МАСТЕР КИТ была поставлена, и успешно решена задача по подготовке технической документации и выпуску такого УНЧ для использования в Hi-Fi звуковой технике.       Радиолюбители сами могут развести печатную плату, однако нужно учитывать, что это очень ответственная и серьезная работа. Не все знают, что, например, неправильная трассировка печатных проводников в мощном усилителе, может в десятки раз увеличить уровень его нелинейных искажений или даже сделать вообще неработоспособным. Поэтому для разработки печатных плат привлекались профессиональные конструкторы, специализирующиеся в этой области. Таблица 1. Технические характеристики Напряжение питания (двуполярное) +/- 15 — 30 В Напряжение питания (двуполярное) типовое +/- 25 В Пиковое значение выходного тока 8 А Ток в режиме покоя 50 мА Ток в режиме ST-BY 0,5 мА Выходная мощность (стерео) при Кг = 0.5%, Uп = +/- 27 В, Rн = 4 Ом 65 Вт Выходная мощность (стерео) при Кг = 10%, Uп = +/- 27 В, Rн = 4 Ом, мост 80 Вт Выходная мощность (стерео) при Кг = 0.5%, Uп = +/- 25 В, Rн = 8 Ом 120 Вт Выходная мощность (стерео) при Кг = 10%, Uп = +/- 25 В, Rн = 8 Ом 140 Вт Коэффициент усиления, Au 30 дБ (стерео) Коэффициент усиления, Au 36 дБ (мост) КПД, % 94 Диапазон воспроизводимых частот 20 — 20000 Гц Размеры печатной платы 62×73 мм Описание работы       Принципиальная электрическая цифрового усилителя показана на рис.2. Перечень элементов дан в табл.1.       Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте Fраб=360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема содержит два идентичных канала формирования, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным ключевым каскадом на DA2.       Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1(+), Х2(общий) и Х3(-).       В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х4(-IN1), Х5(+IN1) и Х6(-IN2), Х7(+IN2). Нагрузка подключается к Х10(-OUT1), Х11(+OUT1) и Х8(-OUT2), Х7(+OUT2).       В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х4(-IN), Х5(+IN) или Х6(-IN), Х7(+IN). Нагрузка подключается к Х11(+OUT) и Х8(-OUT).       Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть. А перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.       Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть. А перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.       Переключатель SW1 предназначен для управления режимом ON/MUTE/OFF усилителя. При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл). Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная усилителя Таблица 2. Перечень элементов усилителя   Конструкция       Внешний вид устройства показан на рис.3, печатная плата на рис.4, расположение элементов на рис.5.       Конструктивно усилитель выполнен на двусторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы под винты 2.5 мм.       Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод. Поскольку КПД УМ составляет 94% — тепловые потери минимальны даже на умеренной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС. Рисунок 3. Внешний вид усилителя Рисунок 4. Печатная плата усилителя Рисунок 5. Расположение элементов на печатной плате усилителя Позиция Номинал Кол. С1*…C4*, С7*…C10*, С23*…C25*, С27*, C29*, C32* 0,22 мкФ, SMD элемент, размер 0805 14 С5, С6 2200 мкФ/50 B 2 С11, С12 47 мкФ/35 B 2 С13, С15, С16, С22, С36, С37 0,47 мкФ 6 С14, С19, С40, С41 1000 пФ 4 С17, С18, С38, С39 0,22 мкФ 4 С20, С21 330 пФ 2 С26 180 пФ 1 С28*, С30* 0,015 мкФ 2 С31, С33, С34, С35 560 пФ 4 DA1 TDA8929T 1 DA2 TDA8927J 1 DA1 7805 1 L1…L4 Murata BL01RN1-A68 4 L5, L6 30 мкГн 2 R1, R2, R4, R6, R8, R9 10 кОм 6 R3, R5 39 кОм 2 R7 27 кОм 1 R10 1 кОм 1 R11 200 кОм 1 R12…R15 5,6 Ом 4 R16, R17 24 Ом 2 VD1 5,6 В 1 VD2 7,5 В 1 Клеммный зажим двойной 4 Клеммный зажим тройной 1 Штыревой разъем двойной 1 Штыревой разъем тройной двухрядный 1 Перемычка съемная 3       Не хочу показаться сильно умным, но на лицо явное противоречие — в начале статьи красиво изъясняется почему DA2 не надо на теплоотвод, а в конце — подробности о том как это надо делать. В моем понимании, то дело обстоит так: если завод-изготовитель предусмотрел теплоотводящий флянец на микросхеме, то это совсем не потому что у них медь девать некуда, следовательно теплоотвод нужен обязательно и легенды о том, что при 94% КПД он не нужен пусть останутся для делитантов. А вот о размере теплоотвода можно и поумничать, типа действительно для таких мощностей площадь охлаждения очень крохотная.         Мощный 2×50 Вт импульсный УНЧ класса D Philips TDA8920       TDA8920 содержит два независимых УНЧ мощностью по 50 Вт, отличающихся высоким КПД (не менее 90%), низкими нелинейными искажениями и потребляемым током. ИМС может быть сконфигурирована как:       • монофонический мостовой УНЧ с максимальной выходной мощностью 190 Вт, рис. 1       • стереоусилитель мощностью 2×50 Вт, рис.2. В обоих случаях подразумевается нагрузка 8 Ом. Каждый из усилителей имеет дифференциальные входы. Усилители могут работать в трех режимах, управляемых потенциалом U|7 на выводе 17 относительно общего провода (MODE):       • энергосберагающем (Standby, 0< UI7<1B). Типовый потребляемый ток в этом режиме 0,2 мкА       • приглушение (Mute, 2В < UI7 < 3В). Усилитель в рабочем состоянии, но звуковой сигнал на выходе отсутствует. Типовый потребляемый ток совпадает с током в режиме молчания и не превышает 50 мА       • нормальная работа (On, 4В < U|7 < 5,5В). Для исключения «хлопка» при включении усилитель принудительно удерживается примерно 500 мс в режиме приглушения, в течение этого времени все переходные процессы заряда конденсаторов заканчиваются.       На выходе ИМС формируется ШИМ-напря-жение с частотой повторения 500 кГц, среднее значение которого соответствует аналоговому звуковому сигналу. Пассивные LC ФНЧ второго порядка подавляют несущую частоту таким образом, что на акустическую систему приходит уже практически чистое звуковое напряжение. Частота генерации задается внешним резистором R05C, включенным между выводами OSC и SGND и может быть оценена по формуле Fosc = 5 • 103/ROSC- Предусмотрена синхронная работа нескольких микросхем на одной частоте, для этого достаточно соединить выводы OSC всех параллельно работающих ИМС (на них присутствует напряжение амплитудой 1,75 В от пика до пика).       ИМС имеет три встроенные системы защиты       • от перегрева (при температуре перехода Tj > 150 °С автоматически переходит в режим приглушения до охлаждения)       • от статического электричества (модель «человека» — 3000 В) защищены все выводы       • от перегрузки по току и КЗ выхода. Максимальный выходной ток «по умолчанию» равен 7А и может быть уменьшен до значения lo,ma = 7 • 104/(Ю4+ RL|M), [А] внешним резистором RL|M (см. рис.1 и рис.2). Основные параметры;       • напряжения питания ±15…±30 В       • коэффициент усиления 36 дБ (моно-мостовой), 30 дБ (стерео)       • входное сопротивление > 80 кОм       • напряжение шума на выходе < 100 мкВ       • коэффициент подавления пульсаций питающих напряжений > 60 дБ       • разделение между каналами > 50 дБ       • максимальная рассеиваемая мощность 60 Вт       • напряжение смещения нуля на выходе < 50 мВ       • коэффициент гармоник 0,1% (1 кГц), 0,2% (10 кГц, 1 Вт)       TDA8920 выпускается в двух конструктивных вариантах — 17-вы-водном SOT243 (TDA8920J, рис.3) и 20-выводном SOT418 (TDA8920TH, рис.4) для монтажа на поверхности, оба изображены справа в натуральную величину. Рекомендуемые области применения — УНЧ высококачественных телевизоров, систем Домашнего Театра, а также мультимедийные системы.             Кстати сказать, Турута говорит, что в двухканальном варианте она может на 4Ома работать. Теоретически вроде как мысль верная, однако на практике мы еще не пробовали. А Вы? Микросхема TDA8920 выпускается в двух корпусах: Рисунок 3 Рисунок 4         Адрес администрации сайта: [email protected]     НЕ НАШЕЛ, ЧТО ИСКАЛ? ПОГУГЛИ:               СТРОКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ПОИСКА

Классификация электронных усилителей — Википедия. Что такое Классификация электронных усилителей

Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов (ламп или транзисторов) традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Буквенные обозначения классов усиления могут дополнительно уточняться суффиксом, указывающим на режим согласования мощного каскада с источником сигнала (AB1, AB2 и т. п.) и с нагрузкой (F1, F2, F3). Устройства, совмещающие свойства двух «однобуквенных» классов, могут выделяться в особые классы, обозначаемые сочетанием двух букв (AB, BD, DE и устаревший BC).

Первая буквенная классификация, действующая по сей день (режимы А, B и С), сформировалась в 1920-е годы и была дополнена режимом, или классом, D в 1955 году. Начавшийся в 1960-е годы выпуск высокочастотных силовых транзисторов сделал возможным построение экономичных транзисторных усилителей радиочастот классов E и F. Последовательное усовершенствование транзисторных усилителей мощности звуковых частот класса B привело к разработке усилителей классов G и H. Единого реестра классов усиления не существует, поэтому в разных областях электроники или на разных рынках одна и та же буква (например, S) может обозначать принципиально разные устройства. Схемы, известные в Европе и Японии как класс G, в США относятся к классу H, и наоборот^[1]. Буква, широко используемая в одной области электроники (класс F с его производными F1, F2, F3 и т. д.), в другой области может считаться «свободной»^[2]. Кроме того, есть «классы усилителей» — торговые марки компаний-производителей и стоящие за ними частные технические решения. Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие известны только по рекламе производителей.

Традиционная классификация: А, B, С и D

Одна и та же схема двухтактного усилителя может работать в режимах А, АB, B и C. Режим задаётся выбором напряжения смещения на сетках (V_с)

В 1919 году инженер Bell Labs Джон Моркрофт и его стажёр Харальд Фрис^[en] опубликовали анализ работы вакуумного триода в генераторе несущей частоты радиопередатчика. В этой работе были впервые определены режимы работы лампы без отсечки (режим А), с отсечкой в течение половины периода (режим B) и в течение более чем половины периода (режим С). В 1928 году Норман Маклаклан опубликовал в Wireless World первый подробный анализ двухтактного каскада в режимах А, B и C. В 1931 году американский Институт радиоинженеров (IRE) признал эту классификацию отраслевым стандартом. Режим работы усилителя, промежуточный между режимами А и B, получил название режима AB и широко применялся в ламповой технике, а введённое было понятие режима BC не прижилось^[3][4][5][6]. В 1950-е годы классификацию дополнил режим, или класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме. С переходом промышленности на транзисторы понятия режимов A, AB, B и C были адаптированы к новой элементной базе, но принципиально не изменились.

Формулировки стандарта IRE были составлены в терминах выбора управляющих напряжений на сетке лампы, обеспечивающего непрерывное (А) или прерывающееся (B и C) протекание анодного тока. В других отраслях электроники сложились иные, эквивалентные, формулировки: конструкторы радиоприёмных устройств оперировали понятием гармонического сигнала, конструкторы усилителей низкой частоты и усилителей постоянного тока — выбором рабочей точки на передаточной (анодно-сеточной) или выходной (вольт-амперной) характеристике лампы.

В русской технической литературе понятия режимов и классов A, AB, B и C близки, но не взаимозаменяемы. Понятие режима применяется к отдельно взятому транзистору или лампе усилительного каскада («режимом А называют такой режим работы усилительного элемента…»^[7]), понятие класса применяется к усилительному каскаду, или к усилителю в целом. В англоязычной литературе во всех случаях используется единственное понятие class («класс»).

Режим А

Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости 2Θ_c равен 360°^[8][9].

Более жёсткие определения оговаривают не только недопустимость отсечки, но и недопустимость насыщения (ограничения максимального тока) усилительного элемента. По определению М. А. Бонч-Бруевича, «режим А характеризуется тем, что при действии сигнала рабочая точка не выходит за пределы практически прямолинейного участка динамической характеристики лампы. При этом нелинейные искажения минимальны, но коэффициент полезного действия (КПД) каскада оказывается низким» из-за необходимости пропускать через усилительный элемент значительный ток покоя^[10]. В транзисторной радиотехнике каскад, отвечающий процитированному определению, называют недонапряжённым, а каскад, в котором на пике сигнала наблюдается насыщение или ограничение тока — перенапряжённым («напряжённость» в этом контексте есть относительная мера амплитуды входного сигнала). Режим работы на границе недонапряжённого и перенапряжённого состояний называется критическим^[11][12].

Ток покоя усилительного элемента в режиме А должен, как минимум, превышать пиковый ток, отдаваемый каскадом в нагрузку. Теоретический КПД такого каскада при неискажённом воспроизведении сигналов максимально допустимой амплитуды равен 50 %^[13]; на практике он существенно ниже. В однотактных транзисторных усилителях мощности КПД обычно равен 20 %, то есть на 1 Вт максимальной выходной мощности выходные транзисторы должны рассеивать 4 Вт тепла. Из-за сложностей с отведением тепла транзисторные УМЗЧ класса А, в отличие от их ламповых аналогов, распространения не получили^[14]. В маломощных широкополосных однотактных каскадах режим А, напротив, является единственно возможным решением. Всем иным режимам (AB, B и С) в однотактном включении свойственны недопустимо высокие нелинейные искажения. В узкополосных радиочастотных усилителях гармоники, порождаемые отсечкой усилительного элемента, могут быть эффективно отфильтрованы, но в широкополосных усилителях (УЗЧ, видеоусилители, измерительные усилители) и усилителях постоянного тока этой возможности нет.

Режимы B и AB

В режиме B усилительный элемент способен воспроизводить либо только положительные (лампы, npn-транзисторы), либо только отрицательные (pnp-транзисторы) входные сигналы. При усилении гармонических сигналов угол проводимости равен 180° или незначительно превосходит эту величину.

Режим AB является промежуточным между режимами A и B. Ток покоя усилителя в режиме AB существенно больше, чем в режиме B, но существенно меньше, чем ток, необходимый для режима А. При усилении гармонических сигналов усилительный элемент проводит ток в течение бо́льшей части периода: одна полуволна входного сигнала (положительная или отрицательная) воспроизводится без искажений, вторая сильно искажается. Угол проводимости 2Θ_c такого каскада существенно больше 180°, но меньше 360°.

Предельный КПД идеального каскада в режиме B на синусоидальном сигнале равен 78,5 %^[15], реального транзисторного каскада — примерно 72 %. Эти показатели достигаются только тогда, когда выходная мощность P равна максимально возможной мощности для данного сопротивления нагрузки P_макс(R_н). С уменьшением выходной мощности КПД падает, а абсолютные потери энергии в усилителе возрастают. При выходной мощности, равной 1/3 P_макс(R_н), потери реального транзисторного каскада достигают абсолютного максимума в 46 % от P_макс(R_н), а КПД каскада уменьшается до 40 %. С дальнейшим уменьшением выходной мощности абсолютные потери энергии уменьшаются, но КПД продолжает снижаться^[16].

Чтобы воспроизвести одну полуволну входного сигнала без искажений в области перехода через ноль, усилитель должен оставаться линейным при нулевом напряжении на входе — поэтому в усилительных элементах в режиме B всегда устанавливается небольшой, но не нулевой, ток покоя. В ламповых усилителях мощности в режиме B ток покоя составляет 5…15 % от максимального выходного тока, в транзисторных усилителях — 10…100 мА на каждый транзистор^[17][18]. Все эти усилители двухтактные: одно плечо усилителя воспроизводит положительную полуволну, другое — отрицательную. На выходе обе полуволны складываются, формируя минимально искажённую усиленную копию входного сигнала. При малых мгновенных значениях выходного напряжения (в транзисторных усилителях — несколько сотен мВ) такой каскад работает в режиме A, при бо́льших напряжениях одно из плеч закрывается и каскад переключается в режим B.

В современной литературе нет единого мнения о классификации таких двухтактных транзисторных каскадов. По мнению Джона Линдси Худа и Боба Корделла, их следует рассматривать как режим AB^[19][20]. По мнению Г. С. Цыкина, Дугласа Селфа и А. А. Данилова это режим B. С их точки зрения, полноценный режим AB начинается при существенно бо́льших токах покоя (и сопровождается меньшим уровнем переходных искажений)^[21][22][23].

Режим C

В режиме C, также как и в режиме B, усилительный элемент воспроизводит только положительные, либо только отрицательные входные сигналы. Однако рабочая точка усилительного элемента выбрана так, что при нулевом напряжении на входе (или при нулевом управляющем токе) усилительный элемент заперт. Ток через усилительный элемент возникает только после перехода управляющего сигнала через ноль; если этот сигнал гармонический, то усилитель воспроизводит одну искажённую полуволну (угол проводимости меньше 180°)^[24]. В недонапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала невелика, поэтому усилитель способен воспроизвести вершину этой полуволны. В перенапряжённом режиме C амплитуда входного сигнала столь велика, что усилитель искажает (срезает) и вершину полуволны: такой каскад преобразует синусоидальный входной сигнал в импульсы тока трапециевидной формы. Предельный теоретический КПД недонапряжённого усилителя в режиме C, так же как и в режиме B, равен 78,5 %, перенапряжённого — 100 %^[15]. Из-за высоких нелинейных искажений усилители в режиме С, даже двухтактные, непригодны для воспроизведения широкополосных сигналов (звука, видеосигналов, постоянного тока). В резонансных усилителях радиопередатчиков они, напротив, широко применяются благодаря их высокому КПД.^[24].

В англоязычной литературе и недонапряжённый, и перенапряжённый режимы относят к «классическому», или «настоящему», режиму С (англ. classic Class C, true Class C). Современные усилители мощности радиочастот обычно работают в ином, «смешанном» режиме С (англ. mixed-mode Class C), который иногда выделяется в особый «режим СD». В течение одного периода транзистор такого усилителя последовательно проходит через четыре фазы — отсечки, нарастания коллекторного тока, насыщения и снижения тока, причём длительность активных фаз (нарастания и снижения тока) сопоставима с длительностью фаз отсечки и насыщения^[25].

Режим D

Структурная схема усилителя класса D без петли обратной связи

Идея усилителя с импульсным управлением выходными лампами была предложена Д. В. Агеевым (СССР, 1951)^[26] и Алеком Ривзом^[en] (Великобритания)^[27]. В 1955 году Роже Шарбонье (Франция) впервые назвал такие устройства усилителями класса D, а уже через год это название вошло в радиолюбительскую практику^[26]. В 1964 году в Великобритании выпустили первые транзисторные УМЗЧ класса D, не имевшие коммерческого успеха, в 1974 и 1978 столь же безуспешные попытки предприняли Infinity и Sony^[28]. Массовый выпуск усилителей этого класса стал возможен только после отладки производства силовых МДП-транзисторов, состоявшейся в первой половине 1980-х годов^[29].

В режиме C форма тока выходных транзисторов может принимать вид почти прямоугольных импульсов. В режиме D такая форма тока заложена по определению: транзистор либо заперт, либо полностью открыт. Сопротивление открытого канала современных силовых МДП-транзисторов измеряется десятками и единицами миллиОм, поэтому в первом приближении можно считать, что в режиме D транзистор работает без потерь мощности. КПД реальных усилителей класса D равен примерно 90 %, в наиболее экономичных образцах 95 %, при этом он мало зависит от выходной мощности^[30]. Лишь при малых, 1 Вт и менее, выходных мощностях усилитель класса D проигрывает в энергопотреблении усилителю класса B^[31].

Несмотря на созвучие с английским digital («цифровой»), усилители класса D не являются, в общем случае, цифровыми устройствами. Простейшая и наиболее распространённая схема усилителя класса D с синхронной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это полностью аналоговая схема. В её основе — задающий генератор сигнала треугольной формы, частота которого обычно равна 500 кГц, быстродействующий компаратор, и формирователь импульсов, открывающих выходные транзисторы. Если мгновенное значение входного напряжения превышает напряжение на выходе генератора, компаратор подаёт сигнал на открытие транзисторов верхнего плеча, если нет — то на открытие транзисторов нижнего плеча. Формирователь импульсов усиливает эти сигналы, попеременно открывая транзисторы верхнего и нижнего плеча, а включенный между ними и нагрузкой LC-фильтр сглаживает отдаваемый в нагрузку ток. На выходе усилителя — усиленная и демодулированная, очищенная от высокочастотных помех копия входного напряжения^[32][33].

Миниатюрные законченные стереоусилители «класса Т» на микросхемах Tripath. Слева модуль с выходной мощностью 6+6 Вт, справа 20+20 Вт. Чёрные детали, выстроенные рядами в середине каждой платы — катушки выходных фильтров

Схема с аналоговой ШИМ устойчива при любых значениях выходного напряжения^[31], но не позволяет добиться высокого качества воспроизведения звука, даже если охватить её обратной связью. Нелинейные искажения класса D имеют несколько причин: нелинейность генератора сигнала треугольной формы, нелинейность катушек индуктивности выходного фильтра, нелинейность из-за между включениями верхнего и нижнего плеча усилителя. В отличие от традиционных усилителей, в той или иной мере подавляющих нестабильность питающих напряжений, в усилителях класса D низкочастотные помехи беспрепятственно проходят с питающих шин на выход усилителя. Эти помехи, шумы и дрейф не только накладываются на усиленный сигнал, но и модулируют его ^[34]. Чтобы снизить эти искажения, конструкторы перешли от синхронной ШИМ к асинхронной модуляции с переменной частотой следования импульсов и к сигма-дельта-модуляции. Неизбежным следствием этого стал рост частоты переключения выходных транзисторов до десятков МГц и снижение КПД из-за роста потерь при переключении. Для того, чтобы снизить эти потери, конструкторы применили простейшие цифровые схемы, уменьшавшие частоту переключения (например, преобразовывавшие последовательность управляющих импульсов 01010101…, соответствующую нулевому входному напряжению, в 0011…, 00001111… и так далее). Естественным развитием этого подхода стал полный отказ от аналоговой модуляции и переход к чисто цифровой обработке входных сигналов^[35], а побочным следствием — разрастание номенклатуры однобуквенных «классов усиления».

В 1998 году основанная Адья Трипати компания Tripath выпустила полностью цифровой интегральный УМЗЧ класса D с заявленными показателями качества, приближавшимися к показателям «обычных» усилителей высокой верности. Новые микросхемы пошли в продажу под вывеской «класса Т» и получили в целом положительные отзывы прессы и радиолюбителей. Усилитель Tripath TA2020 вошёл в список ^[36][37] журнала IEEE Spectrum, а сама компания прекратила существование в 2007 году, не выдержав конкуренции с крупными производителями^[38][39]. За «классом T» последовали «класс J» компании Crown International^[en], «класс TD» компании Lab.gruppen, «класс Z» компании Zetex^[en] и радиочастотный «класс M» компании PWRF. Обозреватель журнала EDN^[en] Пол Рейко заметил, что «сочинение новых „классов усилителей“ — не более чем маркетинговая уловка, которая приносит компании больше вреда, чем пользы … хотите новый класс усиления — купите Allen-Bradley и изобретите заново класс AB»^[40].

Эволюция усилителей звуковой частоты: классы G, H, …

Развитие усилителей с динамическим управлением напряжения питания выходного каскада в режиме B/AB
Класс G c переключением Следящий класс G и класс Н Гибридный класс D («класс TD») Гибридный класс D

Максимальная мощность усилителя звуковой частоты, определяемая в том числе напряжением его питания, бывает востребована относительно редко. Бо́льшую часть времени усилитель воспроизводит сигналы относительно небольшой амплитуды. В усилителях классов B или AB это сопровождается высокими абсолютными потерями энергии при малом КПД (10—40 %). Чтобы уменьшить потери и повысить КПД, следует снизить напряжение питания — но усилитель с низким напряжением питания окажется неспособным воспоизводить редкие пиковые фрагменты входного сигнала. Решение этой дилеммы предложил в 1964 году инженер НАСА Мануэль Крамер^[41]. По идее Крамера, усилитель класса B или AB следовало питать от источника напряжения с двумя или тремя комплектами шин питания. При воспроизведении сигналов малой амплитуды выходной каскад подключен к шинам с низким напряжением питания, а с ростом уровня сигнала он переключается на питание от шин с высоким напряжением^[42].

Серийный выпуск таких УМЗЧ начала в 1977 году компания Hitachi. Новинка получила маркетинговый ярлык «класса G», который прижился в японской и британской литературе и стал признанным дополнением традиционной классификации усилителей. Японские усилители класса G спросом не пользовались, а аналогичная конструкция Боба Карвера^[en], выпущенная в 1981 году, прижилась на американском рынке профессионального оборудования. Придуманное Карвером название «класс H» закрепилось в американской литературе, и некогда универсальная классификация распалась на региональные ниши — «американскую» и «англо-японскую»^[43]. С течением времени американские авторы вернулись к «англо-японским» обозначением — именно их используют, например, Деннис Бонн (2012^[41]) и Боб Корделл (2011^[44]). Современное понятие «класса G» объединяет два подхода к переключению шин питания — ступенчатое и плавное переключение, и два подхода к схемотехнике выходного каскада — последовательное включение («внутренний» каскад собственно УМЗЧ вложен во «внешний» каскад управления шинами питания) и параллельное (два выходных каскада, «низковольтный» и «высоковольтный», подключены к нагрузке в параллель)^[45][46].

Следующим этапом развития экономичных усилителей стал «европейский» класс H — усилители с плавно изменяющимся напряжением источника питания. При малых уровнях выходного сигнала усилитель подключен к «обычным» шинам с низким напряжением питания. При росте выходного напряжения напряжение на верхней (для положительной полуволны) или нижней (для отрицательной полуволны) шине питания увеличивается, поддерживая минимально необходимое падение напряжения на активном транзисторе. В простейшем варианте класса H используется конденсатор вольтодобавки, заряжаемый от основной шины источника питания, и подключаемый к выходным транзисторам по схеме «диодного ИЛИ». В более сложном варианте, применяемом в микросхемах автомобильных УМЗЧ, применяется встроенный преобразователь напряжения, накачивающий конденсаторы вольтодобавки до требуемых значений^[47]. За классом Н последовали разнообразные схемы гибридов усилителей классов B и D. В этих конструкциях «грязный» усилитель класса D формирует напряжение на шинах питания «чистого» усилителя в классе B или AB (реже — класса H), подключенного к нагрузке. Варианты таких усилителей получили названия «гибридного класса D»^[48], «класса TD» или «следящего класса D»^[49], «класса A/H»^[50], «класса К» (от Корея)^[51] и т. п. «Класс BD», напротив, не является гибридным — это всего лишь ранний вариант класса D с синхронной ШИМ^[52].

Эволюция радиочастотных усилителей: классы E, F, …

Схемотехника радиочастотных усилителей развивается в двух основных направлениях: повышение рабочей (несущей) частоты сигнала и повышение коэффициента полезного действия в уже освоенных частотных диапазонах. В 1985 году транзисторные усилители, работающие на относительно низких частотах, достигли КПД в 95-98 %, а уже на частоте в 30 МГц КПД снижался до 80 %^[53]. К 2000 году то же значение КПД в 80 % стало нормой для диапазона 900 МГц^[54]. На этих частотах задержка переключения транзистора становится сопоставимой с периодом несущей частоты, и грань между ключевыми режимами и режимами управляемого источника тока стирается. При этом не существует ни единой теории, описывающей процессы в сверхвысокочастотных мощных каскадах, ни единого метода анализа и оптимизации таких каскадов — даже давно известного каскада в смешанном режиме С^[55][56].

В 1975 году попытку такого анализа провели отец и сын Натан и Алан Сокал. Взяв за основу хорошо известный ключевой каскад, они поставили задачу минимизации потерь во время переключения транзистора из закрытого состояния в открытое и обратно. Сокал сформулировали принцип работы экономичного усилителя мощности, названного ими «классом E»: при выключении транзистора ток через него должен уменьшиться до нуля до того, как начнёт нарастать коллекторное напряжение, при включении — напряжение на коллекторе должно упасть до нуля до того, как начнёт нарастать ток. Сочетание высокого напряжения и большого тока недопустимы. Таким образом, утверждал Натан Сокал, возможно снизить потери с 35 % до 15 % потребляемой мощности даже на частотах, на которых задержка включения транзистора составляет 30 % периода несущей частоты^[57].

Альтернативный подход к снижению потерь — спектральное (гармоническое) разделение токов и напряжений в выходном каскаде. Нагрузка такого усилителя состоит из нескольких резонансных контуров, настроенных на пропускание чётных гармоник несущей частоты и на подавление нечётных гармоник. В идеале форма тока такого каскада содержит, помимо несущей частоты, только её чётные гармоники, а форма напряжения на коллекторе или стоке мощного транзистора — только нечётные. В реальных усилителях используется два или три контура, поэтому формы токов и напряжений существенно отличаются от идеальных. Усилители такого рода обычно выделяются в особый класс F, но в литературе также встречаются термины «экономичный класс С», «оптимальный класс С», «мультирезонансный класс С», HRA (англ. harmonic reactance amlifier), HCA (англ. harmonic control amplifier) и даже «класс Е» (в смысле, отличном от класса Е по Сокалу). В зависимости от конфигурации контуров и выбора подавляемых и пропускаемых гармоник внутри класса F выделяют подклассы F1, F2, F3, F⁻¹ («обратный», или «инверсный», F) и т. п.^[58][59][60].

Сводная таблица

Класс	Период возникновения	Область применения	Определение класса
			Подкласс	Определение подкласса	Обзорные	Подробные
A	1920-е годы	Основная классификация режимов усиления Усилители напряжения и мощности	Режим работы усилительного элемента, в котором ток, протекающий через усилительный элемент, никогда не прерывается (угол проводимости гармонического сигнала равен 360°). В зависимости от назначения усилителя (усиление РЧ, ЗЧ или постоянного тока) возможны альтернативные, эквивалентные формулировки в терминах выбора управляющих напряжений или рабочей точки усилительного элемента.		[61][62][63][64][65][66][67][68]	Ламповые УМЗЧ:[69] Транзисторные УМЗЧ:[70][71] Транзисторные УРЧ:[72][73][74][75]
			A1	Ламповый усилитель класса А, работающий без сеточных токов	[76]
			A2	Ламповый усилитель класса А, работающий c сеточными токами	[76][77]	Анализ и расчёт каскада:[78]
AA	1986	Торговая марка УМЗЧ компании Technics	УМЗЧ, сочетающий прецизионный высоколинейный усилитель класса А, мощный усилитель класса B и мостовую схему подключения нагрузки и петли отрицательной обратной связи. Повторение более ранней схемы Сэндмена[79]			Сравнительный анализ схем УМЗЧ классов S и AA: [80]

Основы усилителей класса D

ПРИМЕЧАНИЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ 3977

Аннотация: Высокая эффективность усилителя класса D делает его идеальным для портативных и компактных мощных приложений. Для традиционных усилителей класса D требуется внешний фильтр нижних частот для извлечения аудиосигнала из выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако во многих современных усилителях класса D используются передовые методы модуляции, которые в различных приложениях устраняют необходимость во внешней фильтрации и уменьшают электромагнитные помехи (EMI).Устранение внешних фильтров не только снижает требования к месту на плате, но также может значительно снизить стоимость многих портативных / компактных систем.

Введение Большинство инженеров-проектировщиков аудиосистем хорошо осведомлены о преимуществах энергоэффективности усилителей класса D по сравнению с линейными аудиоусилителями классов, таких как классы A, B и AB. В линейных усилителях, таких как класс AB, значительное количество мощности теряется из-за элементов смещения и линейной работы выходных транзисторов.Поскольку транзисторы усилителя класса D используются просто как переключатели для управления током через нагрузку, минимальная мощность теряется из-за выходного каскада. Любые потери мощности, связанные с усилителем класса D, в первую очередь связаны с активным сопротивлением выходного транзистора, коммутационными потерями и накладными расходами по току покоя. Большая часть мощности, теряемой усилителем, рассеивается в виде тепла. Поскольку в усилителях класса D требования к радиаторам могут быть значительно уменьшены или полностью устранены, они идеально подходят для компактных мощных приложений. В прошлом преимущество классических усилителей класса D на основе ШИМ в энергоэффективности затмевалась стоимостью компонентов внешнего фильтра, соответствием EMI / EMC и плохими характеристиками THD + N по сравнению с линейными усилителями. Однако в большинстве усилителей класса D нынешнего поколения используются передовые методы модуляции и обратной связи для смягчения этих проблем. Основы усилителей класса D Несмотря на то, что в современных усилителях класса D используются различные топологии модулятора, в самой базовой топологии используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с треугольным (или пилообразным) генератором. На рисунке 1 показана упрощенная блок-схема полумостового усилителя класса D на основе ШИМ. Он состоит из широтно-импульсного модулятора, двух выходных полевых МОП-транзисторов и внешнего фильтра нижних частот (L F ​​ и C F ​​) для восстановления усиленного аудиосигнала. Как показано на рисунке, полевые МОП-транзисторы с p-каналом и n-каналом работают как переключатели управления током путем попеременного подключения усилителей звука

классов | Максим Интегрированный

Аналогичная версия этой статьи опубликована на сайте EE Times 24 апреля 2013 г.

Введение

Аудиоусилитель увеличивает амплитуду слабого сигнала до полезного уровня, при этом сохраняя детализацию меньшего сигнала. Это известно как линейность. Чем выше линейность усилителя, тем более точным отображением входного сигнала является выходной сигнал.

В связи с постоянно меняющимися требованиями к характеристикам усилителей на рынке аудио, было сделано много достижений в топологиях аудиоусилителей. Следовательно, проектировщики должны знать типы доступных усилителей звука и характеристики, связанные с каждым из них.Это единственный способ гарантировать, что вы выберете лучший аудиоусилитель для приложения. В этом руководстве мы исследуем наиболее важные характеристики каждого класса аудиоусилителей, доступных сегодня: Class A, Class B, Class AB, Class D, Class G, Class DG и Class H.

Усилители класса А

Самый простой тип аудиоусилителей — это усилители класса A. Усилители класса A имеют выходные транзисторы (, рис. 1, ), которые проводят (т. Е. Не полностью выключаются), независимо от формы выходного сигнала.Класс A — это наиболее линейный тип аудиоусилителя, но он имеет низкую эффективность. Следовательно, эти усилители используются в приложениях, требующих высокой линейности и достаточной мощности.

Рис. 1. Аудиоусилитель класса A обычно ассоциируется с высокой линейностью, но низкой эффективностью.

Усилители класса B

В усилителях класса B используется двухтактная топология усилителя. Выход усилителя класса B включает в себя положительный и отрицательный транзисторы. Чтобы воспроизвести входной сигнал, каждый транзистор проводит только половину (180 °) формы сигнала (, рис. 2, ).Это позволяет усилителю бездействовать с нулевым током, тем самым повышая эффективность по сравнению с усилителем класса А.

У усилителя класса B есть компромисс: повышенная эффективность ухудшает качество звука. Это происходит потому, что существует точка кроссовера, в которой два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Известно, что аудиоусилители класса B имеют кроссоверные искажения при обработке сигналов низкого уровня. Они не подходят для приложений с низким энергопотреблением.

IC усилитель звука класса D

Infineon предлагает комплексные решения для портативных / работающих от батарей, домашних и профессиональных усилителей.Портфель MERUS ™ от Infineon охватывает диапазоны мощности от 20 Вт до 2000 Вт на канал. Он включает однокристальные устройства, многокристальные модули (MCM) и решения для дискретных усилителей звука с высокой масштабируемостью, состоящие из мощных комбинаций HEMT MOSFET / CoolGaN ™ в режиме улучшения (e-mode) и ИС драйвера.

Давайте проявим изобретательность! Давайте вводить новшества! Давайте вместе поработаем над индивидуальным дизайном. Вот некоторые из приложений, из которых мы можем выбрать.

Портативные аудиоприложения с питанием от батарей

Для портативных аудиоустройств / аудиоустройств с питанием от аккумулятора важно максимально увеличить время воспроизведения от аккумулятора при сохранении отличной производительности.Микросхемы аудиоусилителей MERUS ™ от Infineon обеспечивают в два раза больше времени воспроизведения от батареи в сочетании с лучшими в своем классе характеристиками и непревзойденным качеством звука.

• Колонки с питанием от аккумулятора
• Мобильные Bluetooth-колонки
• Акустическая док-станция
• Стреловые ящики
• Носимые динамики

Дома и аудио приложения

Современные домашние аудиопродукты бывают разных форм, размеров и конфигураций, но все они имеют одну общую черту — это требование отличного звука в сочетании с выдающимся промышленным и акустическим дизайном.Усилители MERUS ™ от Infineon открывают путь для инновационных и незабываемых звуковых продуктов для дома в форм-факторах и формах, которые ранее были немыслимы.

• Мультирум-системы
• Домашние хабы
• Телевизоры
• Саундбары
• Системы домашнего кинотеатра
• Умные колонки

Профессиональные аудиоприложения

Профессиональное аудиооборудование — это максимальная выходная мощность и удельная мощность.Большая, тяжелая, энергоемкая профессиональная аудиоэлектроника — уже история. Решения Infineon MERUS ™ предлагают клиентам масштабируемость уровней выходной мощности для достижения качества звука на профессиональном уровне.

> Загрузите брошюру по применению решений MERUS ™

Воспользуйтесь исключительным качеством звука, сверхвысокой энергоэффективностью, максимальной выходной мощностью, высокой надежностью, свободой проектирования и быстрым выводом на рынок, выбрав Infineon MERUS ™ для своей конструкции.

В мире, где экологические технологии приобретают все большее значение, преимущества, полученные с помощью решений MERUS ™, укрепляют миссию Infineon: Часть вашей жизни. Часть завтрашнего дня. Мы делаем жизнь проще, безопаснее и экологичнее — с помощью технологий, которые позволяют достичь большего, потребляют меньше и доступны каждому. Микроэлектроника от Infineon — залог лучшего будущего.

10 лучших усилителей класса D 2020 г.

Заметки редактора

13 октября 2020 г.:

Даже многие очень требовательные аудиофилы, наконец, нагреваются до идеи использовать усилители класса D для питания своих домашних стереосистем, и в случае, чем эффективнее топология, тем лучше.По этой причине сейчас доступно больше стоящих опций класса D, чем когда-либо прежде.

Если вы хотите оснастить автомобиль, это впечатляюще мощный и экономичный выбор, который относительно компактен, но не экономит на качественном оборудовании. У другого очень мало недостатков, он не стоит целого состояния и может без труда управлять достаточно большими сабвуферами. Если вы хотите что-то, что действительно ударяет, это может быть то, что вы ищете, но не используйте его с дешевыми подводными лодками, потому что это может очень легко их уничтожить.

— это категория, в которой сейчас особенно популярны технологии класса D. S.M.S.L. SA300 — универсальный высокопроизводительный прибор, который удовлетворит огромное большинство пользователей, но тем, у кого более высокие требования, следует также рассмотреть и high-end. В частности, 3045 впечатляюще полнофункциональна и может служить опорой для многоцелевой аудиосистемы. Это еще один вариант премиум-класса, который, несмотря на минималистскую конструкцию, может похвастаться рядом функций, предназначенных для домашнего кинотеатра.

29 ноября 2018 г.:

Усиление класса D — одно из менее известных достижений 21 века; технология была усовершенствована за последние пятнадцать или около того лет до такой степени, что многие пользователи более чем удовлетворены качеством продукции этого класса.Кроме того, они довольно маленькие, очень легкие и (как правило) не сильно нагреваются. Для двухканального использования дома трудно превзойти Dayton с точки зрения цены и простоты (примечание: «Класс T» — это просто частично усовершенствованная версия топологии класса D). Нам особенно нравится SMSL для управления установкой на базе Windows или Android, поскольку он универсален, мощный и простой в управлении из любой точки комнаты.