Усилитель класса d принцип работы. Усилитель класса D: принцип работы, преимущества и особенности — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое усилитель класса D. Как работает усилитель класса D. Какие преимущества имеет усилитель класса D по сравнению с аналоговыми усилителями. Где применяются усилители класса D. Какие недостатки есть у усилителей класса D.

Содержание

Что такое усилитель класса D и в чем его особенность

Усилитель класса D — это тип усилителя мощности, в котором выходные транзисторы работают в ключевом режиме. В отличие от аналоговых усилителей классов A, B и AB, где транзисторы работают в линейном режиме, в усилителях класса D они переключаются между полностью открытым и полностью закрытым состоянием.

Основные особенности усилителей класса D:

Высокий КПД (до 90-95%)
Малые габариты и вес
Низкое тепловыделение
Работа с цифровым сигналом
Необходимость фильтрации выходного сигнала

Благодаря этим особенностям усилители класса D получили широкое распространение в портативной технике, автомобильных аудиосистемах и других применениях, где важны компактность и энергоэффективность.

Принцип работы усилителя класса D

Принцип работы усилителя класса D основан на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) входного сигнала. Рассмотрим основные этапы усиления:

Входной аналоговый сигнал преобразуется в последовательность импульсов переменной ширины (ШИМ-сигнал)
ШИМ-сигнал усиливается выходными транзисторами, работающими в ключевом режиме
Усиленный ШИМ-сигнал фильтруется LC-фильтром, выделяя исходный аналоговый сигнал
Отфильтрованный сигнал подается на нагрузку (акустическую систему)

За счет работы транзисторов в ключевом режиме достигается высокий КПД усилителя — транзисторы практически не нагреваются в полностью открытом или закрытом состоянии.

Преимущества усилителей класса D

Усилители класса D имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными аналоговыми усилителями:

Высокий КПД — до 90-95% против 50-70% у аналоговых усилителей

Малые габариты и вес за счет отсутствия массивных радиаторов охлаждения
Низкое тепловыделение, позволяющее делать компактные конструкции
Возможность работы напрямую с цифровым аудиосигналом
Низкое энергопотребление, увеличивающее время работы от батарей

Эти преимущества сделали усилители класса D практически незаменимыми в портативной технике, где критичны размеры и энергопотребление.

Применение усилителей класса D

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

Портативные аудиоустройства (смартфоны, планшеты, ноутбуки)
Автомобильные аудиосистемы
Активные акустические системы
Домашние кинотеатры и аудиосистемы
Профессиональное звуковое оборудование
Усилители для сабвуферов

Особенно эффективно применение усилителей класса D в устройствах с автономным питанием, где важна экономия энергии.

Недостатки усилителей класса D

Несмотря на множество преимуществ, у усилителей класса D есть и некоторые недостатки:

Необходимость выходного LC-фильтра для подавления высокочастотных помех
Потенциально более высокий уровень искажений по сравнению с качественными аналоговыми усилителями
Чувствительность к качеству источника питания
Сложность схемотехники для получения высококачественного звучания

Однако современные технологии позволяют минимизировать эти недостатки, и усилители класса D способны обеспечивать высокое качество звука.

Сравнение усилителей класса D с аналоговыми усилителями

Рассмотрим основные отличия усилителей класса D от традиционных аналоговых усилителей классов A, B и AB:

Параметр	Усилитель класса D	Аналоговый усилитель
КПД	90-95%	50-70%
Тепловыделение	Низкое	Высокое
Габариты	Компактные	Крупные
Вес	Легкий	Тяжелый
Искажения	Потенциально выше	Потенциально ниже

Как видно из сравнения, усилители класса D имеют преимущества в энергоэффективности и компактности, но могут уступать аналоговым усилителям по качеству звука в высококлассных аудиосистемах.

Перспективы развития усилителей класса D

Технологии усилителей класса D продолжают активно развиваться. Основные направления совершенствования:

Снижение уровня искажений
Увеличение выходной мощности
Интеграция с цифровыми аудиопроцессорами
Улучшение электромагнитной совместимости

Разработка специализированных микросхем

Можно ожидать, что в ближайшие годы усилители класса D еще больше потеснят аналоговые усилители во многих областях применения благодаря своей энергоэффективности и компактности.

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

Классы усилителей. Устройство и принципы работы | Усилители для колонок | Блог

Усилители принято делить на классы в зависимости от режима работы активных элементов. будь то лампы или транзисторы. Считается, что от класса усилителя зависит качество звука, и в большинстве случаев покупатели ориентрируются больше на этот показатель чем на реальные технические характеристики. Эта заметка немного прольет света на значимость класса при выборе усилителя.

Усилители класса А

Считаются эталоном качества звука, из-за того, что режим работы выбирается на линейном участке, это позволяет достичь высокого качества звучания минимальным схемотехническим решением.

Первый каскад усилителей других классов обязательно работают именно в этом классе, так как искажения и шум первого каскада усиливаются последующими каскадами. Но именно этот режим работы выделяет на транзисторе максимальное количество тепла. Как следствие появляются громоздкие системы охлаждения и большие сложности в создании мощного усилителя, не считая того, что усилителю надо время на прогрев и большого потребления электроэнергии.

Усилители класса B

Рабочая точка последнего каскада выбирается в основании вольтамперной характеристики транзистора, что позволяет снизить нагрев устройства. Недостатком является ступенька, в области тихих сигналов, из-за чего применялся в низкокачественных портативных устройствах и был полностью вытеснен классом D.

Усилители класса AB

Точка покоя выбирается чуть дальше от нуля, это позволяет достичь некоторого баланса между качеством звука и нагревом. Прочие классы (G или H) так или иначе развивают эту идею. Из-за относительно простой схемотехники, не особо требовательной к качеству компонентов, встречается повсеместно — от недорогих портативных устройств, до концертных усилителей и аудиофильских штучек.

Любимый трюк производителей — завысить точку смещения, чтобы для замера искажений на паспорт усилитель работал в режиме A, а замер мощности, произвести уже в режиме AB. Как результат — красивые цифры и плохой звук.

Усилители класса С, H, G

Рабочая точка в усилителях класса C, по сравнению с классом B, еще больше смещена относительно центра линейного участка ВАХ-транзистора. В звуковых устройствах из-за слишком больших искажений не используются.

В усилителях H-G классов, по сути, представляющих из себя класс AB, используется дополнительный источник напряжения, подключаемый прямо на лету к выходному каскаду. Это позволяет немного повысить КПД.

Усилители класса D

В отличии от других классов, транзистор работает в ключевом режиме — 2 устойчивых состояниях либо открыт, либо закрыт. Иногда применяют положительную обратную связь для ускорения смены состояний — немыслимый трюк для других классов, приводящий к самовозбуждению.

Так как тепло в основном выделяется при переключении из одного состояния в другое, транзистор очень мало нагревается. Более высоким КПД обладают только режимы E и F, где переключение транзистора происходит в тот момент, когда через него не проходит ток (за счет работы в резонансе с нагрузкой). Но для звуковых усилителей такой режим не подходит из-за слишком больших искажений. Дурную славу эти усилители получили по самым первым дешевым представителям класса.

На самом деле качество усилителя класса D зависит от типа и частоты модуляции. А уже от этого зависит сложность схемотехники, необходимое качество компонентов и, соответственно, цена. Мощные транзисторы, способные работать на большой частоте в ключевом режиме, как и высококачественные аналогово-цифровые преобразователи (ADC) могут стоить весьма внушительно.

Простейшие представители класса D основаны на усилении широтно-импульсной модуляции с частотой ниже 50 кГц. По сути они являются аналоговыми устройствами.

Такая схема достаточно проста, и делается из дешевых компонентов, но отсутствие обратной связи отрицательно сказывается на восприимчивость к помехам по питанию.

Именно такие усилители и стали причиной мифов о плохом качестве звука всего класса. Первые усилители класса А, работающие на лампах с плохим вакуумом и с железным трансформатором тоже не особо блистали характеристиками, но об этом предпочитают не вспоминать.

Да, такой усилитель годится только для сабвуферов, но даже в этом применении его главным достоинством является низкий уровень нелинейных искажений.

В отличии от обычных усилителей класса AB, для которых высокий уровень нелинейных искажений уже на половине заявленной мощности и откровенный клипинг на максимальной — практически норма.

Для усилителей класса D низкий уровень искажений сохраняется практически во всем рабочем диапазоне громкости. Для сабвуфера эта разница не столько в качестве звука, сколько в меньшем нагреве катушки.

В моделях, произведенных с упором на качество, используется дельта-сигма-модуляция. Благодаря обратной связи схема делает поправки на ошибки квантования, что в сумме с нойз-шейпингом или дитерингом выводит шумы в область ультразвука. Работу этих алгоритмов для звука можно наглядно продемонстрировать на изображении:

В области звуковых частот соотношение сигнал/шум после таких преобразований доходит до очень высоких значений, и они не уступают другим классам. Такой усилитель уже можно назвать цифровым (из-за цифровых алгоритмов обработки модулированного сигнала).

Маломощные усилители D-класса получили распространение в мобильной и портативной технике, Bluetooth-колонках. Зачастую представляют из себя одну микросхему, которой даже не требуются дополнительные фильтры на цепях питания — обратная связь компенсирует не только искажения в самой схеме, но и пульсации питания. А за счет с высокой частоты модуляции, индуктивности катушки динамика хватает для фильтрации паразитных высоких частот.

Даже мощным усилителям класса D не надо время на прогрев для достижения паспортных характеристик (для класса А может достигать получаса). Именно благодаря этому профессионалы так полюбили усилители класса D. Такая аппаратура не создает фонового шума, мало греется и готова работать сразу же.

Но и это не все. больше всего этот тип усилителей проявляет себя в работе с цифровым сигналом. Конверторы формата PCM в DSD, встроенные в усилитель, позволяют избегать лишних преобразований из аналога в цифру и обратно. Звук проходит через усилитель в цифровом виде до самого последнего транзистора, которые в Hi-end устройствах могут работать на частотах порядка десятков мегагерц.

Современные устройства пошли еще дальше. В цепь цифрового сигнала добавляют цифровой сигнальный процессор (DSP) для компенсации фазово-частотных искажений, вносимых как динамиком, так и помещением. Искажения замеряются микрофоном, а DSP искажения компенсирует. В итоге такая связка цифрового усилителя и цифровой обработки позволяет добиться максимального качества звука, на которое способен динамик. Именно это и делает усилители класса D любимчиками профессионалов, обращающих внимание в первую очередь на результат.

А для аудиофилов класс D производители тщательно маскируют под названиями других классов, например, Z. Или используют их в качестве источников напряжения для усилителей класса A, AB, хотя при взгляде под другим углом такая схема выглядит как активный фильтр искажений для класса D. А то и вовсе умалчивают о принципах работы усилителя. Как это делает Yamaha:

Но даже беглым взглядом можно сразу заметить характерный для класса D фильтр паразитных частот — катушки индуктивности возле мощных транзисторов редкий гость в усилителях других классов.

Заключение

Любой усилитель, независимо от класса, может быть плохим или хорошим. Конкретное схемотехническое решение влияет на звук больше, чем класс усиления.

Отличительная и неизменная черта классов усилителей — это КПД. И самый большой КПД, порядка 90%, в классе D.

Усилитель класса Д, специфика, задачи и преимущества цифровых технологий

Цифровая техника продолжает свое стремительное развитие – выбор усилителей класса Д постоянно расширяется. Поэтому стабильно возрастает актуальность вопроса, какой класс предпочтительнее для наших задач – цифровой или аналоговый тип?

Большинство аудиофилов, поклонников техники Hi-Fi готовы без лишних сомнений утверждать – выбор лучше делать в пользу аналоговых моделей. Уважаем их мнение, но с выводами спешить не будем, Просто сразу оговоримся – несмотря на все возможности аналоговых устройств, всё же будущее именно за цифровой техникой.

Принцип усилителя класса D – ключевые отличия, о которых нужно знать

Сигнал поступает в аналоговой форме, amplifier усиливает получаемый сигнал и передает его акустике. Принцип работы усилителя мощности звука D класса предполагает работу исключительно с цифровым сигналом. Следовательно, сам сигнал поступает в цифровой форме, усиливается и после этого преобразуется в аналоговую форму для подачи к акустическим системам

История развития цифрового усилителя D класса

Пока Hi-Fi усилитель класса D не получил широкое распространение среди аудиофилов. Но подобная ситуация остается незаслуженной. Сложился стереотип, по которому большинство аудиофилов попросту заранее отвергают цифровые усилители, даже не планируя их прослушивать.

Изначально аудиофилы повесили на него «ярлык» цифровой усилитель. Несмотря на подобие работе цифровых схем, само устройство можно с уверенностью считать аналоговым.

Другим дискуссионным вопросом традиционно остается возраст Hi Fi усилителей класса D. Распространено мнение о его появлении совсем недавно, не имея достаточные ресурсы для построения сложных проектов. Но будем объективны – усилитель класса Д имеет богатейшую историю, проектировался впервые еще во времена радиоламп.

Однако первые коммерческие реализации привели к обнаружению ряда недостатков моно усилителей класса D для своего времени. Поэтому не удавалось обеспечить достойное качество звука на элементной базе, доступной в те времена.

Производители не прекращали изыскания в этом направлении, значительные инвестиции делали и ведущие представители индустрии Hi-Fi, включая Infinity и Sony. Но и подобные шаги не принесли успех – элементная база была недостаточной для раскрытия потенциала D класса. Кардинально исправить ситуацию позволили разработки 80-х годов – постепенно найдя признание в устройствах широкого профиля.

Плюсы типа усилителя класса D

Основным преимуществом усилителей класса Д становится энергоэффективность. Достижение лучших показателей подтверждают не просто теоретические выкладки, но и реальные цифры, данные замеров – подтверждая прирост КПД, добиться которого позволяет лишь переход от класса A до B либо AB. Достижения в этом вопросе со стороны класса G и прочих кажутся попросту незначительными.

Автоусилитель Helix P Six DSP MK2

Благодаря специфике работы удается добиться впечатляющего уровня около 90-95% КПД. Для нагрева транзисторов задействованы только единицы процента энергии, поэтому можно работать с крайне малыми радиаторами. Чтобы на выходе обеспечить 100-200 Вт, усилителям AB класса необходимы радиаторы, которые будут занимать 1-2 боковых стенки корпуса. Благодаря специфике усилителя D класса достаточно минимального алюминиевого кусочка. Аналогична ситуация с размером платы усилителя мощности класса D – оказывается гораздо компактнее. Внимания заслуживает и меньшая себестоимость.

Возможные проблемы усилителя класса D

Повсеместное признание ценителей проектов Hi-Fi усилителям класса Д не удалось завоевать из-за наличия определенных слабых мест. Высокочастотный генератор может провоцировать помехи, сказывающиеся на качестве работы усилителя. Неподготовленные владельцы могут не заметить подобные изменения, но в Hi-Fi каждая деталь имеет значение.

Из-за высокого КПД усилителей класса Д возникает ощутимая зависимость аудио от блока питания. При работе с импульсным источником без достаточного количества съем фильтрации часть шумов будет проникать в колонки, нарушая общее впечатление. Плохой блок питания крайне не уместен с усилителями AB, но именно в классе Д проблема проявляется ярче всего.

Лучшие усилители D класса в «АвтоАудиоЦентре» – специфика выбора под каждый проект

Автомобильный усилитель AudioBeat PA 1.300

Продажа автомобильных усилителей D класса является одним из приоритетных направлений в работе интернет-магазина «АвтоАудиоЦентр». Подходящая мощность, цена, мощность, количество каналов в линейке проверенных производителей – инвестиция в годы наслаждения огромным потенциалом своей аудиосистемы. Проектирование систем и подбор компонентов желанного совершенства вместе с практиками своего дела, которые получают удовольствие от подготовки идеальных проектов для своих покупателей.

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)
Наименование	Описание	Стерео/ моно	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	(min)	(max)	Half Power THD+N* (%), F = 1 кГц	PSSR дБ**	Корпус(а)
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)
Наименование	Описание	Pвых Вт	Rнагр. (min), Ом	(min)	(max)	Half Power THD+N* (%), F = 1 кГц	PSSR, дБ**	Корпус(а)
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

Усилитель класса d что это

Когда мы тестируем в нашей акустической лаборатории усилители для автомобильных аудиосистем, то частенько упоминаем в материалах их классы, мол, этот работает в экономичном классе D, а тот чисто для аудиофилов — в классе Real АВ. И тут мне недавно задали вопрос: а что это за классы такие вообще? Ну что ж, разберемся.
Выбирая в магазине подходящий усилитель для аудиосистемы, обратите внимание на то, в каком классе они работают. Класс АВ можно назвать традиционным, в нем работает большинство усилителей. В последнее время все чаще встречаются усилки класса D, которые называют цифровыми, хотя это не совсем правильно, и скоро вы поймете почему. Что предпочесть? Какой лучше? Как обычно, однозначного ответа нет, поскольку у каждого есть свои преимущества и недостатки. Но для начала пару слов о том, что и как там вообще происходит внутри.

КАЧНЕМ ТОКУ
Основные элементы практически любого усилителя — это транзисторы. Не будем вдаваться в суть построения различных схем, тем более, что их на самом деле далеко не одна, а выделим основное — сам принцип работы. Для этого на время представим усилитель в виде, ну, скажем. водопровода. Неожиданно, правда? Тем не менее, аналогия налицо, и вы сейчас в этом убедитесь. Во-первых, в усилителе есть блок питания, преобразующий однополярное напряжение бортовой сети („плюс» и „масса») в двухполярное („плюс»,„масса» и „минус»). Мы уже говорили, зачем он необходим, когда рассматривали, как измеряются мощности усилителей. Так вот, в такой системе двухполярный блок питания будет представлять собой не что иное, как два насоса (насос со стороны „+» будет как бы накачивающим, а насос со стороны „-» как бы откачивающим ток относительно массы). Наша задача — пустить эти потоки через нагрузку усилителя (нагрузка — это как раз подключенный к усилителю динамик). Для этого, понятное дело, нужны краны, которые будут управлять этими потоками.
Вот как раз роль этих кранов и играют транзисторы. Они могут открываться, пропуская через себя большой поток, или закрываться, уменьшая его. „Краны» эти по отношению друг к другу обратные: когда один начнет закрываться, другой будет открываться. Соответственно, поток от „насосов» будет направляться через нагрузку то в одну, то в другую сторону. А управляет всем этим открытием-закрытием как раз входной сигнал.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА А. В, АВ, Н
Но на самом деле просто открывать и закрывать транзистор еще мало, ведь нам нужно, чтобы сигнал усиливался без искажений, то есть, чтобы выходной сигнал по форме в точности повторял входной. Значит нам необходимо, чтобы транзисторы (эти самые краны) открывались и закрывались по строго линейному закону, строго пропорционально входному сигналу.
Но вот незадача, на самом деле транзистор может так работать не во всем своем диапазоне. Например, если входной сигнал слишком маленький, то транзистор на него почти не реагирует, зато при достижении определенного уровня резко открывается. Какая уж тут линейность? А вот дальше этого момента реагирует на изменение управляющего сигнала вполне адекватно, почти что линейно. Значит, для того, чтобы искажений было как можно меньше, транзистор придется все время держать в приоткрытом состоянии. Это называется задать смещение транзистора или выбрать его рабочую точку.
В этом случае говорят, что усилитель работает в классе А. Такой класс усилителей по праву считается аудиофильским, поскольку обеспечивает очень маленькие искажения сигнала. Но самый главный его недостаток — высокий ток покоя. Ток покоя — это ток, который будет течь через транзисторы, даже когда входного сигнала нет (ведь нам же пришлось задать транзисторам некоторое смещение). Из-за этого они довольно сильно нагреваются, и значительная часть энергии от блока питания уходит в тепло, а КПД усилителя составляет в лучшем случае всего лишь около 20-30%.

Но поскольку автомобильные усилители на самом деле делаются не на одном транзисторе, а строятся по так называемым двухтактным схемам, т.е. с 2 транзисторами, то возникает одна заманчивая идея. Что, если не держать их постоянно приоткрытыми? Пусть они оба при отсутствии входного сигнала будут закрытыми? Поскольку транзисторы по отношению друг к другу обратные, то получится, что один из них будет открываться, когда сигнал положительный, а другой — когда сигнал отрицательный. Иными словами, получится, что первый будет усиливать положительную полуволну сигнала, а другой — отрицательную, на нагрузке же эти половинки благополучно сложатся. Когда усилитель работает в таком режиме, то говорят, что это класс В.
Решение, несомненно, хорошее, ведь через транзисторы в такой схеме не течет бесполезный ток, когда сигнала нет, а значит и КПД усилителя получается гораздо выше. Однако все бы замечательно, но дело в том, что какие бы мы хорошие и качественные транзисторы не поставили, у них все равно будет присутствовать нелинейность в самом начале их открытия. А это значит, что в тот момент, когда один транзистор только закрывается, а второй только открывается, неизбежно появится искажение в виде ступеньки.

Когда уровень сигнала высокий, эта ступенька не выглядит очень уж большой, и если особо не придираться, то на нее еще можно и не обращать особого внимания. А вот на небольших уровнях сигнала она будет уже слишком заметна. Поэтому класс В в чистом виде в автомобильных усилителях не используется из-за больших искажений.
Так какой же режим лучше всего выбрать для усилителя? В классе А — маленькие искажения, но и КПД низкий, львиная доля мощности блока питания уйдет в тепло (вот почему усилители, работающие в этом классе, греются как утюги). Класс В обеспечит хороший КПД, но искажения будут такими, что о высоком качестве воспроизведения особо говорить не придется. Компромиссное решение — это смешанный режим, когда транзисторам обеспечивается лишь небольшое смещение, гораздо меньшее, чем в чистом классе А, но уже достаточное для того, чтобы избежать заметной ступеньки в выходном сигнале. При этом так и говорят — усилитель работает в классе АВ.
Выбирая рабочую точку транзисторов (ну или иными словами, выбирая насколько транзисторы будут приоткрыты в режиме покоя, то есть при отсутствии входного сигнала), можно сделать усилитель класса АВ ближе к классу А или к В. Например, в первом случае наиболее заметен тот эффект, что до достижения определенной мощности усилитель работает в классе А, а на высоких уровнях как бы автоматически переходит в класс АВ — решение, довольно часто применяемое в усилителях высокого класса (иногда в описаниях к таким усилителям можно встретить обозначение их класса как Real АВ).
Справедливости ради, нужно отметить, что классы А, В и АВ не единственные. Есть и другие, которые можно назвать производными от них, они представляют собой попытки совместить экономичность АВ-класса с качеством А-класса. Например, класс А+ — симбиоз усилителей В-класса и А-класса (выход первого является средней точкой для второго). Или класс Super A (Non Switching) — в них специальная схема не дает транзисторам полностью запираться(ведь основные искажения, как вы уже знаете, как раз из-за нелинейности в самый начальный момент открытия транзисторов-„кранов»). А усилители класса G вообще представляют собой два каскада усиления, работающих каждый от своего источника питания разного напряжения (на небольшой мощности работает каскад, питающийся от источника с небольшим напряжением, а на пиках к нему подключается второй, питающийся от источника с большим напряжением). Впрочем, все это довольно сложные схемы, которые и в домашней то технике применяются все реже, а уж в автомобильных усилителях это, мягко говоря, и вовсе экзотика.
А вот усилители класса Н можно с уверенностью назвать чисто автомобильными. В этом классе делают усилители, встроенные в головное устройство. Понятное дело, в них нет никаких сложных блоков питания, преобразующих бортовые 12 Вольт в двухполярное питание с большим напряжением (впрочем, встроенный в ГУ усилитель все равно питается отдвухполярного напряжения, просто за среднюю точку для него принимается Uпит/2, то есть, условно говоря, 6 Вольт), поэтому мощность таких усилителей невелика. Класс Н — это попытка в какой-то мере нивелировать основной недостаток маломощных усилителей — зажатость звучания. Так как же он работает?
На самом деле, усилитель класса Н — это практически то же самое, что и обычный усилитель класса АВ. Только в нем есть так называемая схема удвоения напряжения питания, основной элемент которой — конденсатор, накапливающий заряд, когда входной сигнал не очень большой. Ну а поскольку реальный музыкальный сигнал — это вам не синус, на котором по стандарту измеряется мощность, то для него характерны кратковременные пики. Так вот, как раз в моменты таких пиков этот самый конденсатор специальной схемой добавляется последовательно к питающему напряжению, и оно как бы кратковременно удваивается, помогая усилителю воспроизвести эти пики с меньшими искажениями. Это, на самом деле, не особо сказывается на мощности усилителя, измеренной стандартно на синусоидальном сигнале, но на средних и высоких частотах звучание субъективно становится лучше.

КСТАТИ
Класс усилителя в первом приближении можно распознать по характеру зависимости КНИ от мощности. Смотрите, на малых уровнях сигнала класс А обеспечивает самые маленькие искажения. А вот класс В за счет „ступеньки» в сигнале на малых уровнях непременно будет иметь повышенные искажения (так называемая проблема первого Ватта). Класс АВ где-то между ними.

УСИЛИТЕЛИ КЛАССА D
Классы А, В, АВ и прочие их производные — это все традиционные классы аналоговых усилителей, принципы построения у них схожие, разве что режимы работы транзисторов выбираются разные, да добавляются кое-какие примочки. Но есть и усилители, которые строятся изначально несколько иначе. Это 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). Давайте в общих чертах разберем, как работает усилитель D-класса.
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.

Сохранить и прочитать потом —

При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Принцип работы

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.

В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.

Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.

Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.

Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.

Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.

Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.

Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.

На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

Особенности

Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.

Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.

Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Выводы

Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.

В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.

Сохранить и прочитать потом —

История

Принцип работы

Плюсы

Минусы

Особенности

Практика

Выводы

Что такое классы усилителей мощности?

Классы усилителей A, B, C, D и другие

Если вы когда-нибудь заглядывали в спецификации усилителя или смотрели обзоры аудио техники, вы могли заметить термин «класс усилителя». Обычно обозначаемые одной или двумя буквами, наиболее распространенные классы усилителей, используемые в настоящее время в бытовой аудиотехнике — это классы A, A / B, D, G и H. Эти классы не являются простыми системами оценки, а описывают топологию усилителя, т.е. режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы) на базовом уровне. В то время как каждый класс усилителей имеет свой собственный набор сильных и слабых сторон, их работа (и то, как оценивается конечная производительность) остается прежней: усилить форму волны, отправляемую на него предусилителем, без внесения искажений или, по крайней мере с минимальными искажениями . Так что же означает этот алфавитный набор классов усилителей?

Весьма вероятно, что принцип работы классов окажется сложным для понимания, поэтому самое главное что нужно запомнить это:

Класс А практически не используется в современных аудио устройствах. Исключение составляют лишь экзотические Hi-End усилители. Главный минус класса А это низкая эффективность (КПД не более 25%). Такой усилитель потребляет много энергии, выделяет еще больше тепла но выдает мало мощности. Преимущество класса А это высокая точность воспроизведения и низкие искажения.
Класс B не используется в домашних аудио устройствах.
Класс AB самый распространенный на сегодня класс среди усилителей мощности. Большинство AV-ресиверов для домашних кинотеатров и стереоусилителей относятся к классу AB.
Класс D становится все лучше и лучше. Если вам интересен принцип его работы, мы покажем его ниже. Самое главное, что нужно знать, усилители класса D обладают очень высокой эффективностью (90%) и компактными размерами. Сегодня усилители этого класса все чаще используются в домашнем аудио и повсеместно в профессиональной аппаратуре и портативных устройствах. И класс D не означает цифровой, это была просто следующая буква в алфавите, потому что класс C, как и класс B не используется в аудио устройствах.
Классы G,H официально не признаны и представляют собой вариации на тему класса A / B.

Вступление

Усилитель мощности звука предназначен для управления громкоговорителями. Для этого ему необходимо подавать большое количество вольт и большой ток на нагрузку с низким сопротивлением в широком диапазоне частот, от ниже 20 Гц до, возможно, 40-50 кГц, без слышимых искажений.

Для усилителя с номинальным среднеквадратичным значением 100 Вт, выдающего синусоидальную волну, пиковое выходное напряжение должно превышать +/- 40 В для резистивной нагрузки 8 Ом и пикового тока +/- 5 А. На практике может потребоваться гораздо больший ток, чтобы управлять настоящими громкоговорителями, импеданс которых на некоторых частотах значительно ниже 8 Ом; в приведенном выше примере типичным требованием будет +/- 8 ампер. Чтобы управлять сегодняшними нагрузками 4-8 Ом при 100 Вт, это значение следует увеличить до +/- 12 ампер или более.

В реальной жизни питание должно быть ближе к +/- 50 В, а не к теоретическому минимуму +/- 40 В, чтобы учесть внутрисхемные потери.
Такие высокие мощности означают, что большое количество тепла обычно рассеивается в самом усилителе, особенно в выходном каскаде. Это дорого, потому что требует физически больших массивов выходных транзисторов, массивных радиаторов и силового трансформатора подходящего номинала.

Таким образом, эффективность имеет значение, потому что более эффективные усилители генерируют меньше отходящего тепла и экономят как деньги, так и потребление энергии. Как мы увидим, различные классы усилителей, показанные ниже, сильно различаются по своей эффективности, сложности, стоимости и точности воспроизведения. Разработчики усилителей стараются найти лучший из них для требований рынка.

Класс А

Самые простые усилители звука — несимметричные и класса А; то есть они используют только один выходной транзистор, который всегда является проводящим, независимо от формы выходного сигнала. Класс A имеет линейность от хорошей до превосходной (и, следовательно, высокую точность воспроизведения / низкие искажения), но очень низкий КПД. Он почти никогда не используется в выходных каскадах усилителя мощности, но идеально подходит для входных каскадов и каскадов высокого уровня усилителя мощности.
На потребительском рынке есть несколько примеров двухтактных усилителей класса А (Krell, Sugden и т. д.). В них используются пары дополнительных (противоположных полярностей) выходных транзисторов, которые при низких уровнях сигнала пропускают весь ток, необходимый для управления подключенным громкоговорителем на полной номинальной мощности. Для приведенного выше примера 100 Вт / 8 Ом будет означать, что транзисторы выходного каскада будут смещены на 2,5 А. При напряжении питания не менее +/- 40 В выходные каскады рассеивают 200 Вт при отсутствии вывода на громкоговоритель — и это только для одного канала!

Из-за положительных качеств, связанных с работой класса A, он считается золотым стандартом качества звука во многих кругах аудиофилов. Однако у этих конструкций есть один важный недостаток: эффективность. Требование к конструкциям класса А иметь все выходные устройства всегда проводящими приводит к значительным потерям энергии, которая в конечном итоге преобразуется в тепло. Это еще больше усугубляется тем фактом, что конструкции класса A требуют относительно высоких уровней тока покоя, который представляет собой величину тока, протекающего через выходные устройства, когда усилитель производит нулевой выходной сигнал. Реальные показатели эффективности класса A могут составлять порядка 15-35% с потенциалом падения до однозначных цифр при использовании высокодинамичного исходного материала.

Класс B

В двухтактных усилителях класса B каждый выходной транзистор проводит только половину (180 градусов) формы сигнала. Когда нет сигнала, ни один из транзисторов не проводит ток — полная противоположность усилителю класса А. Верхний транзистор NPN пропускает только положительные части сигнала, оставляя нижний транзистор PNP выключенным. И наоборот, нижний транзистор проводит только отрицательные части сигнала, оставляя верхний транзистор выключенным. Усилители класса B намного более эффективны, чем усилители класса A, но они имеют высокие искажения из-за сильной нелинейности в области перехода, где два транзистора переходят из включенного состояния в выключенное. Эта форма искажения, называемая кроссоверным искажением, чрезвычайно неприятна для слуха, и поэтому ни в одной конструкции коммерческого усилителя не используется чистый класс B.

Класс AB

Комбинация класса A и класса B, усилитель класса AB имеет гораздо более высокий КПД, чем класс A, но гораздо меньше искажений, чем класс B. Это достигается за счет смещения точки перехода обоих транзисторов — точка. где усилители класса B вносят существенную нелинейность. Затем они переходят в класс B для больших сигнальных токов. Для любой данной конструкции усилителя будет оптимальный ток смещения, который минимизирует (но не устраняет полностью) кроссоверные искажения. Типичный ток смещения составляет 50 мА; таким образом, рассеиваемая мощность в нашем выходном каскаде мощностью 100 Вт составляет 80 В x 50 мА = 4 Вт, что составляет всего 2% от приведенного выше примера класса A. Большинство коммерческих усилителей мощности относятся к классу AB.

На практике ток смещения может отклоняться от оптимума со временем, температурой и уровнем сигнала, и это увеличивает остаточные искажения кроссовера. Было вложено много изобретательности в попытки улучшить это с переменным успехом. Один хороший подход состоит в том, чтобы выключать непроводящий транзистор намного медленнее, чем в обычных конструкциях, используя сочетание положительной и отрицательной обратной связи в выходном каскаде, чтобы он мог работать почти в классе A с выходной мощностью около 10 Вт.
Легко понять, почему такие конструкции ограничены относительно низкой максимальной мощностью (20–50 Вт (среднекв.) На канал), перегреваются и являются чрезвычайно дорогими.

Класс D

В усилителях класса D используется другой метод, при котором выходные транзисторы (обычно полевые МОП-транзисторы) быстро включаются и выключаются с гораздо большей частотой, чем самый высокий звуковой сигнал, который необходимо воспроизвести. Звуковой сигнал используется для модуляции или изменения соотношения времени включения и выключения сигналов — отсюда и альтернативное название для класса D, класс широтно-импульсной модуляции или ШИМ. Среднее значение этого выходного сигнала после фильтрации нижних частот соответствует фактической требуемой форме звукового сигнала. Обратите внимание, что это по-прежнему аналоговый усилитель — термин цифровой усилитель часто используется для обозначения класса D, но это просто неверно.

Преимуществом класса D является его высокий КПД (80-90%), поскольку выходные транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены во время работы. Его энергопотребление в режиме покоя сопоставимо с усилителем класса AB. К недостаткам относятся необходимость в дорогих выходных фильтрах, а также некоторая степень электромагнитного излучения / помех от усилителя и кабелей громкоговорителей из-за высоких частот переключения. В целом его качество звука не такое хорошее, как у приличного усилителя класса AB, хотя для лучших представителей класса D этот разрыв сокращается.

Углубляясь в мир класса D, вы также найдете упоминания об усилителях с аналоговым и цифровым управлением. Усилители класса D с аналоговым управлением имеют аналоговый входной сигнал и аналоговую систему управления, обычно с некоторой степенью коррекции ошибок обратной связи. С другой стороны, усилители класса D с цифровым управлением используют сгенерированное цифровым способом управление, которое переключает силовой каскад без контроля ошибок (можно показать, что те, у которых есть контроль ошибок, топологически эквивалентны аналоговому управлению класса D с ЦАП впереди ). В целом, стоит отметить, что класс D с аналоговым управлением имеет тенденцию иметь преимущество в производительности по сравнению с цифровым аналогом, поскольку они обычно предлагают более низкий выходной импеданс и улучшенный профиль искажений.

Далее, есть небольшая проблема выходного фильтра: обычно это LC-цепь (катушка индуктивности и конденсатор), размещенная между усилителем и динамиками, чтобы уменьшить шум, связанный с работой класса D. Фильтр имеет большое значение: некачественный дизайн может поставить под угрозу эффективность, надежность и качество звука. Кроме того, обратная связь после выходного фильтра имеет свои преимущества. Хотя в конструкциях, которые не используют обратную связь на этом этапе отклик может быть настроен на конкретный импеданс, когда такие усилители работают со сложной нагрузкой (например, реальный громкоговоритель, а не резистор), частотная характеристика может значительно варьироваться в зависимости от того какую нагрузку на громкоговоритель он видит. Обратная связь стабилизирует эту проблему, обеспечивая плавную реакцию на сложные нагрузки.

В конечном счете, сложность класса D имеет свои плюсы: эффективность и, как следствие, меньший вес. Поскольку относительно мало энергии расходуется в виде тепла, требуется гораздо меньший отвод тепла. Более того, многие усилители класса D используются вместе с импульсными источниками питания (SMPS). Как и выходной каскад, сам источник питания можно быстро включать и выключать для регулирования напряжения, что приводит к дальнейшему повышению эффективности и возможности снижения веса по сравнению с традиционными аналоговыми / линейными источниками питания. Даже очень мощные усилители класса D могут весить всего несколько килограммов. Недостатком источников питания SMPS по сравнению с традиционными линейными источниками является то, что первые обычно не имеют большого динамического запаса. Тестирование усилителей класса D с линейными источниками питания по сравнению с источниками SMPS показало, что это верно, когда два усилителя мощности с сопоставимым номиналом оба выдавали номинальную мощность, но один с линейным источником питания мог обеспечивать более высокие динамические уровни мощности. Тем не менее, конструкции SMPS становятся все более обычным явлением, и вы можете ожидать увидеть более мощные усилители класса D следующего поколения, использующие их.

Класс G и H

Еще одна пара конструкций, разработанных с целью повышения эффективности, технически говоря, усилители класса G и H официально не признаны. Эти термины относятся к классам усилителей, в которых в интересах более высокого КПД, чем у класса AB, напряжения питания выходного каскада меняются в зависимости от уровня сигнала. Это связано с тем, что отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде музыки довольно велико — обычно 3 к 1 — поэтому полное напряжение источника питания требуется редко. Если вышеупомянутый выходной каскад мощностью 100 Вт обычно работает только при, скажем, +/- 20 В, а не +/- 40 В (теоретическое минимальное значение), то при воспроизведении музыки он будет в среднем намного холоднее. Конечно, сейчас необходимы дополнительные источники питания, но эти затраты могут быть в значительной степени компенсированы меньшим тепловыделением (и меньшими размерами) всей системы.

Термины G и H часто путают — здесь мы используем термин класс G для обозначения усилителей, у которых есть две (или более) пары шин питания, доступных для выходных транзисторов. Они могут переключаться жестко при заданном уровне сигнала или мягко, при этом более высокие шины, представленные на выходном каскаде, модулируются в соответствии с уровнем выходного сигнала. Это соответствует форме выходного сигнала вверх и вниз, чтобы поддерживать небольшое постоянное напряжение около 5 В на выходных транзисторах при высоких уровнях сигнала.
Усилители класса H используют только один источник питания для выходных каскадов, который можно изменять либо дискретно, либо непрерывно. Он требует более сложной схемы для прогнозирования и управления напряжением питания и отлично подходит для компактных усилителей очень большой мощности, используемых в профессиональных туровых акустических системах (PA).

Так в чем же здесь недостаток? Одним словом: стоимость. В оригинальных схемах переключения шин использовались биполярные транзисторы для управления выходными шинами, что увеличивало сложность и стоимость. В наши дни это часто сокращается за счет использования сильноточных полевых МОП-транзисторов. Использование полевых МОП-транзисторов не только дополнительно повышает эффективность и снижает нагрев, но и требует меньшего количества деталей. Помимо стоимости самой коммутации шины / модуляции шины, также стоит отметить, что в некоторых усилителях класса G используется больше устройств вывода, чем в типичной конструкции класса A / B. Одна пара устройств будет работать в обычном режиме A / B, питаясь от низковольтных шин; Между тем, другая пара остается в резерве, чтобы действовать как усилитель напряжения, и активируется только по мере необходимости. В конце дня, из-за этих дополнительных затрат вы обычно увидите только усилители класса G и H, связанные с мощными усилителями, где повышенная эффективность делает это целесообразным. Компактные конструкции также могут использовать топологии класса G / H в отличие от класса A / B, учитывая, что возможность переключения в режим низкого энергопотребления означает, что они могут обойтись немного меньшим радиатором.

Один усилитель на все случаи жизни?

При правильной реализации любая из вышеперечисленных схем, помимо чистого класса B, может стать основой высококачественного усилителя. Неубедительно? Тогда давайте посмотрим на относительные сильные и слабые стороны каждой схемы:

Класс усилителя	Типичная эффективность	Плюсы	Минусы
А	~ 15-35%	Нет кроссоверного искажения.	Неэффективность = нагрев Несимметричные конструкции подвержены гудению и более высокому уровню искажений.
B	~ 70%	Сравнительно высокий КПД.	Возможность значительного кроссоверного искажения и ухудшения качества воспроизведения
А / B	~ 50-70%	Более эффективен, чем класс А. Относительно недорогой. Кроссоверные искажения являются спорным вопросом.	КПД хороший, но не большой.
G и H	~ 50-70%	Повышенная эффективность по сравнению с классом A / B.	Дороже, чем класс A / B, но более высокие уровни мощности достижимы в меньшем форм-факторе.
D	> 90%	Наилучшая эффективность Легкий вес.	Широтно-импульсные модуляторы, работающие на относительно низких частотах, могут поставить под угрозу воспроизведение высокочастотного звука. Некоторые конструкции обеспечивают разное качество звука в зависимости от нагрузки на динамик.

Помимо потенциальных проблем с производительностью (которые в первую очередь являются следствием проектных решений, а не присущи классу), выбор класса усилителя в значительной степени является вопросом стоимости или эффективности. На сегодняшнем рынке преобладает класс A / B, и по уважительной причине: они работают очень хорошо, относительно дешевы, а их эффективность вполне достаточна для устройств с низким энергопотреблением (> 200 Вт). Конечно, поскольку производители усилителей пытаются раздвинуть границы мощности с помощью таких усилителей, как 1000-ваттный моноблок Emotiva XPR-1, они обращаются к конструкциям класса G / H и класса D, чтобы их усилители не использовались в качестве обогревателей. Между тем, на другом конце рынка находятся поклонники класса A, которые могут простить недостаток эффективности в надежде на более чистый звук.

Резюме

В конце концов, классы усилителей не так важны, как некоторые могут подумать. Да, есть важные различия, особенно когда дело касается стоимости, эффективности усилителя и, следовательно, веса. Безусловно, усилитель класса A мощностью 500 Вт — плохая идея, если только вы не собираетесь использовать его в качестве духовки. С другой стороны, различия между классами на самом деле не определяют качество звука. В итоге все сводится к проектированию и реализации конечного продукта.

Усилитель класса D | Микросхема

Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.

Преимущества усилителей D класса

Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).

Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.

Цифровой или все-таки импульсный?!

Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями. Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.

Кратко о принципе работы усилителя

Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.

Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы. В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.

Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.

Ключевые рекомендации

При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.

Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:

Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.

При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств. Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.

Практическая часть: схема усилителя класса D

В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.

Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей. Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.

КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

УНЧ 900 Вт — Класс D
Ламповый усилитель

Как работают усилители класса D?

Усилитель класса D работает, принимая аналоговый входной сигнал и создавая его копию с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) — по сути, последовательность импульсов, которые соответствуют амплитуде и частоте входного сигнала. В своей основной форме схема компаратора используется для согласования входного сигнала с сигналом ШИМ. Затем сигнал ШИМ усиливается выходным каскадом, работающим в режиме переключения, то есть есть два состояния, включено или выключено, с очень высокой скоростью, соответствующие импульсам ШИМ.Для сравнения, выходные каскады линейного усилителя видят непрерывную форму волны и, во избежание искажений, включены более половины формы волны (класс A / B) или полной формы волны (класс A), что значительно снижает эффективность и выделяет тепло. .

Усиленный сигнал ШИМ проходит через фильтр нижних частот, чтобы восстановить форму звукового сигнала и устранить паразитный ультразвуковой шум перед его выводом на динамики. Этот процесс кажется цифровым, но на самом деле является аналоговым по своей природе. Сигнал не оцифровывается, т.е.е., присвоено числовое значение; Последовательность импульсов ШИМ является «аналогом» входного аудиосигнала. Что отличает усилители Rotel класса D от других моделей, представленных на рынке, так это инновации в области генерации высокоточного ШИМ-сигнала (COM, что означает Controlled Oscillation Modulation) и в цепях обратной связи (MECC, Multivariable Enhanced Cascade Control) для обеспечения стабильная характеристика фильтра, несмотря на переменное сопротивление громкоговорителей. Проще говоря, это означает, что наши усилители класса D обеспечивают полную пропускную способность при очень низком уровне искажений в «реальных» приложениях — точно так же, как наши линейные усилители, но с преимуществами меньшего размера, охлаждения и гораздо большей энергоэффективности.

Почему на рынке нет большего количества усилителей класса D? Во-первых, создание стабильных цепей класса D с полной полосой пропускания при одновременном контроле побочных продуктов RF / EMI непросто. У немногих компаний есть технологические ноу-хау для этого. Это также требует широкого использования устройств поверхностного монтажа (SMD), что снова делает его недоступным для большинства производителей аудио. Для реализации этих проектов мы привлекли технологического партнера.

Вот еще одна ключевая деталь, которая часто вызывает недоумение.Импульсный источник питания (SMPS) — это не то, что делает эти «переключающие» усилители. Как только что было описано, каскад усиления представляет собой высокоскоростную переключающую схему, что определяет эту конструкцию как класс D. В усилителе класса D фактически может использоваться обычный источник питания; и линейный усилитель может использовать SMPS. Традиционный источник питания накапливает большое количество энергии, но при этом расходует «лишнюю» энергию, не требуемую нагрузкой. SMPS согласовывает выходную мощность с требованиями в реальном времени, обеспечивая только мощность, необходимую для нагрузки, в результате чего работает очень эффективно.Аналогия — резервуар для воды (линейная подача), который всегда наполняется и переливается, если потребности недостаточны; по сравнению с бесконечной серией ведер (SMPS), которые можно замедлять или ускорять по мере необходимости. SMPS в наших усилителях класса D отражает тот факт, что схема усиления класса D не требует значительного накопления энергии линейного усилителя мощности, поэтому более эффективный / компактный SMPS — лучший выбор.

Подводя итог, можно сказать, что наши конструкции класса D предлагают:

Превосходное качество звука, подтвержденное многочисленными критическими отзывами и наградами.Конструкции Rotel класса D являются самыми передовыми в мире.
Высокая энергоэффективность (90% + по сравнению с 50-60% для усилителей класса A / B). В нашем все более «зеленом» мире это важный момент.
Компактный размер относительно выходной мощности.
Холодная работа, так как мало энергии тратится впустую.
Низкое выходное сопротивление означает высокий коэффициент демпфирования или контроль над громкоговорителем.
Устойчивость к низкоомным нагрузкам.

Как работают усилители звука класса D

// php echo do_shortcode (‘[responseivevoice_button voice = «Американский английский мужчина» buttontext = «Listen to Post»]’)?>

Аудиоусилитель класса D — это в основном коммутирующий усилитель или усилитель ШИМ.Есть несколько разных классов усилителей. Мы рассмотрим определения основных классификаций в качестве введения:

Class A — В усилителе класса A выходные устройства непрерывно проводят в течение всего цикла, или, другими словами, в выходных устройствах всегда протекает ток смещения. Эта топология имеет наименьшие искажения и наиболее линейна, но в то же время наименее эффективна (около 20%). Конструкция, как правило, не дополняет устройства вывода со стороны высокого и низкого уровня.

Class B — Этот тип усилителя работает противоположно усилителям класса A. Устройства вывода проводят только половину синусоидального цикла (одно проводит в положительной области, а другое — в отрицательной), или, другими словами, если нет входного сигнала, то в устройствах вывода нет тока. Этот класс усилителей, очевидно, более эффективен, чем класс A, примерно на 50%, но имеет некоторую проблему с линейностью в точке кроссовера из-за времени, необходимого для выключения одного устройства и включения другого.

Класс AB — этот тип усилителя представляет собой комбинацию двух вышеуказанных типов и в настоящее время является одним из наиболее распространенных существующих типов усилителей мощности. Здесь оба устройства могут проводить одновременно, но только в небольшом количестве вблизи точки кроссовера. Следовательно, каждое устройство работает больше половины цикла, но меньше, чем весь цикл, поэтому неотъемлемая нелинейность конструкций класса B преодолевается без неэффективности конструкции класса A. КПД усилителей класса AB составляет около 50%.

Class D — Этот класс усилителя является усилителем с переключением или ШИМ, как упоминалось выше. Усилители этого класса являются основной темой данной инструкции по применению. В усилителе этого типа переключатели либо полностью включены, либо полностью выключены, что значительно снижает потери мощности в выходных устройствах. Возможен КПД 90-95%. Аудиосигнал используется для модуляции несущего сигнала ШИМ, который управляет выходными устройствами, причем последним этапом является фильтр нижних частот для удаления высокочастотной несущей частоты ШИМ.

Классы A, B и AB называются линейными усилителями. В следующем разделе мы обсудим различия между линейными усилителями и усилителями класса D. Блок-схема линейного усилителя показана ниже на рисунке 1. В линейном усилителе сигналы всегда остаются в аналоговой области, а выходные транзисторы действуют как линейные регуляторы для модуляции выходного напряжения. Это приводит к падению напряжения на выходных устройствах, что снижает эффективность. Усилители класса D бывают самых разных форм, некоторые могут иметь цифровые входы, а некоторые могут иметь аналоговые входы.Здесь мы сосредоточимся на типах, которые имеют аналоговые входы.

На рисунке 1 выше показана базовая блок-схема усилителя Half Bridge класса D с формами сигналов на каждой ступени. Эта схема использует обратную связь с выхода полумоста, чтобы помочь компенсировать колебания напряжения на шине.

Так как же работает усилитель класса D? Усилитель класса D работает во многом так же, как и источник питания с ШИМ (мы покажем аналогию позже). Начнем с предположения, что входной сигнал является стандартным линейным аудиосигналом.Этот линейный аудиосигнал является синусоидальным с частотой обычно от 20 Гц до 20 кГц. Этот сигнал сравнивается с высокочастотным треугольником или пилообразной формой волны для создания сигнала ШИМ, как показано на рисунке 2a ниже.

Этот сигнал ШИМ затем используется для управления силовым каскадом, создавая усиленный цифровой сигнал, и, наконец, к сигналу применяется фильтр нижних частот, чтобы отфильтровать несущую частоту ШИМ и извлечь синусоидальный аудиосигнал (также показано на рисунке 2b). .

Сравнение топологии — линейная и класс D
В этом разделе мы обсудим различия между линейными усилителями (класса A и класса AB) и цифровыми усилителями мощности класса D. Основное и главное различие между линейными усилителями и усилителями класса D — это эффективность. В этом вся причина изобретения усилителей класса D. Линейный усилитель по своей природе очень линейен с точки зрения своих характеристик, но он также очень неэффективен примерно на 50%, как правило, для усилителя класса AB, тогда как усилитель класса D более эффективен, со значениями порядка 90% в практических конструкциях. .На рисунке 3 ниже показаны типичные кривые КПД для линейных усилителей и усилителей класса D.

Усиление — У линейных усилителей коэффициент усиления постоянный независимо от колебаний напряжения на шине, однако в усилителях класса D коэффициент усиления пропорционален напряжению на шине. Это означает, что коэффициент отклонения источника питания (PSRR) усилителя класса D составляет 0 дБ, тогда как PSRR линейного усилителя очень хороший. В усилителях класса D обычно используется обратная связь для компенсации колебаний напряжения на шине.

Energy Flow — В линейных усилителях поток энергии всегда идет от источника питания к нагрузке, и в полумостовых усилителях класса D это также верно. Однако полумостовой усилитель класса D отличается, поскольку поток энергии может быть двунаправленным, что приводит к явлению «накачки шины», которое заставляет конденсаторы шины заряжаться потоком энергии от нагрузки обратно к источнику питания. поставка. Это происходит в основном на низких звуковых частотах, то есть ниже 100 Гц.

Аналогия с синхронным понижающим преобразователем
Простая аналогия может быть проведена между усилителем класса D и синхронным понижающим преобразователем.Топологии в основном такие же, как показано на рисунке 4.

Основное различие между двумя схемами заключается в том, что опорный сигнал для синхронного понижающего преобразователя представляет собой медленно меняющийся сигнал из цепи обратной связи (фиксированное напряжение), в случае усилителя класса D опорный сигнал представляет собой аудиосигнал, который является постоянно меняется. Это означает, что рабочий цикл относительно фиксирован в синхронизирующем понижающем преобразователе, тогда как коэффициент заполнения непрерывно изменяется в усилителе класса D со средним коэффициентом заполнения 50%.В синхронном понижающем преобразователе направление тока нагрузки всегда направлено в сторону нагрузки, но в классе D ток течет в обоих направлениях.

Последнее отличие заключается в способе оптимизации полевых МОП-транзисторов. Синхронный понижающий преобразователь по-разному оптимизирован для полевых МОП-транзисторов с высокой и низкой стороны, с более низким RDS (on) для более длительного режима и низким Qg для короткого режима. Усилитель класса D имеет одинаковую оптимизацию для обоих полевых МОП-транзисторов с одним и тем же RDS (включено) для высокого и низкого уровня.

Потери мощности в полевых МОП-транзисторах
Потери в переключателях мощности сильно различаются между линейными усилителями и усилителями класса D.Сначала давайте посмотрим на потери в линейном усилителе класса AB. Убытки можно определить как:

Где K — отношение Vbus к выходному напряжению. Затем это можно упростить до следующего уравнения для потерь в переключателе мощности линейного усилителя:

Обратите внимание, что потеря мощности не связана с параметрами устройства вывода. На рисунке 5 ниже показаны потери мощности в зависимости от K.

Теперь давайте посмотрим на потери для усилителя класса D. Суммарные потери мощности в выходных устройствах для усилителя класса D вычисляются по формуле:

Psw — потери при переключении, которые задаются уравнением:

Pcond — это потери проводимости, которые задаются уравнением:

Pgd — потери привода затвора и определяются уравнением:

Как видно в усилителе класса D, выходные потери зависят от параметров используемого устройства, поэтому необходима оптимизация для получения наиболее эффективного устройства на основе Qg, RDS (on), COSS и tf.На рисунке 6 ниже показаны зависимости потерь мощности от K для усилителя класса D.

Подобно обычным усилителям класса AB, усилители класса D можно разделить на две топологии: полумостовые и полумостовые. У каждой топологии есть свои плюсы и минусы. Короче говоря, полумост потенциально проще, а полный мост лучше по звуковым характеристикам. Топология полного моста требует двух полумостовых усилителей и, следовательно, большего количества компонентов. Однако структура дифференциального выхода мостовой топологии по своей сути может нейтрализовать даже порядок составляющих гармонических искажений и смещений постоянного тока, как в усилителях класса AB.Топология полного моста позволяет использовать лучшую схему модуляции ШИМ, такую как трехуровневая ШИМ, которая по существу имеет меньше ошибок из-за квантования.

В топологии полумоста источник питания может пострадать от перекачки энергии от усилителя, что приведет к сильным колебаниям напряжения на шине, когда усилитель выдает низкочастотные аудиосигналы на нагрузку. Эта энергия отдачи в источник питания является фундаментальной характеристикой усиления класса D. Дополнительные переключающие ветви в полном мосту имеют тенденцию потреблять энергию с другой стороны плеча, поэтому энергия не перекачивается обратно к источнику питания.Таблица 1 показывает сводку сравнения.

Идеальный усилительный каскад класса D не имеет искажений и шумов в слышимой полосе, а также обеспечивает 100% -ный КПД. Однако, как показано на рисунке 7, практические усилители класса D имеют недостатки, которые вызывают искажения и шум.

Дефекты вызваны искаженной формой волны переключения, генерируемой каскадом класса D. Причины:

1. Нелинейность сигнала ШИМ от модулятора к ступени переключения из-за ограниченного разрешения и / или дрожания во времени
2.Ошибки синхронизации, добавляемые драйверами затвора, такие как мертвое время, тонна / toff и tr / tf
3. Нежелательные характеристики в переключающих устройствах, такие как конечное сопротивление включения, конечная скорость переключения или характеристики внутреннего диода.
4. Паразитные компоненты, которые вызывают звон на переходных фронтах
5. Колебания напряжения источника питания из-за его конечного выходного импеданса и реактивной мощности, протекающей через шину постоянного тока
6. Нелинейность выходного LPF.

Обычно ошибка синхронизации переключения в стробирующем сигнале является основной причиной нелинейности.В частности, ошибка синхронизации из-за мертвого времени имеет наиболее значительный вклад в нелинейность в каскаде класса D. Небольшое время простоя в десятки наносекунд может легко создать более 1% THD (полное гармоническое искажение). Точная синхронизация переключения всегда является первоочередной задачей. Давайте посмотрим, как мертвое время влияет на нелинейность. Режим работы выходного каскада класса D можно разделить на три различных региона в зависимости от того, как форма выходного сигнала соответствует времени входа.В этих трех различных рабочих областях форма выходного сигнала следует за разными фронтами входных сигналов на стороне высокого и низкого уровня.

Рассмотрим первую рабочую область, где выходной ток течет от каскада класса D к нагрузке, когда величина тока больше, чем ток пульсаций катушки индуктивности. В момент выключения стороны высокого напряжения и до включения стороны низкого уровня выходной узел подключается к отрицательной шине постоянного тока. Это действие автоматически вызывается током коммутации от катушки индуктивности демодуляции, независимо от времени включения на стороне низкого напряжения.Следовательно, на синхронизацию выходного сигнала не влияет мертвое время, вставленное во входной фронт на стороне низкого напряжения, и оно всегда следует за синхронизацией на входе высокой стороны. Следовательно, форма сигнала ШИМ укорачивается только за счет мертвого времени, вставленного в сигнал затвора на стороне высокого напряжения, что приводит к немного меньшему усилению напряжения, как и ожидалось от входного рабочего цикла. Аналогичная ситуация происходит с отрицательной рабочей областью, где выходной ток течет от нагрузки к каскаду класса D. Величина тока больше, чем ток пульсации индуктора.В этом случае на синхронизацию выходного сигнала не влияет время нечувствительности, вставленное на фронте включения стороны высокого напряжения, и оно всегда следует за синхронизацией входа стороны низкого напряжения. Следовательно, форма сигнала ШИМ укорачивается только за счет мертвого времени, вставленного в сигнал затвора с низкой стороны.

Между двумя описанными ранее режимами работы существует область, в которой синхронизация вывода не зависит от мертвого времени. Когда выходной ток меньше, чем ток пульсаций катушки индуктивности, выходная синхронизация следует за фронтом выключения каждого входа, потому что в этой области включение осуществляется с помощью операции ZVS (переключение при нулевом напряжении).Следовательно, в этой средней области нет искажений. Поскольку выходной ток изменяется в соответствии с входным аудиосигналом, каскад класса D меняет свои рабочие области, каждая из которых имеет немного разное усиление. Форма выходного сигнала будет искажена этими тремя различными областями усиления в цикле звукового сигнала.

На рис. 8 показано, насколько существенно мертвое время влияет на характеристики THD. Мертвое время 40 нс может создать 2% THD. Его можно улучшить до 0,2%, уменьшив мертвое время до 15 нс.Это подчеркивает важность плавного переключения между высокими и низкими сторонами для лучшей линейности.

Измерение характеристик звука
Требуется оборудование для измерения звука с фильтром для кирпичной стены AES17, такое как Audio Precision AP2. Однако можно использовать классический анализатор звука, такой как HP8903B, с соответствующим предварительным фильтром нижних частот. Важным моментом здесь является то, что выходной сигнал усилителя класса D по-прежнему содержит значительную часть несущей частоты переключения на его форме волны, что вызывает неправильные показания, и эти анализаторы могут быть недостаточно защищены от утечки несущей из усилителя класса D.На рисунке 9 показан пример фильтра.

Риск узкого мертвого времени
Узкое мертвое время может быть очень рискованным при массовом производстве. Как только полевые МОП-транзисторы высокого и низкого уровня включены одновременно, напряжение на шине постоянного тока будет закорочено полевыми МОП-транзисторами. Начнется протекание большого количества сквозного тока, что приведет к разрушению устройства. Следует отметить, что эффективное мертвое время может варьироваться от устройства к устройству из-за изменения значений компонентов и температуры кристалла MOSFET.

На рис. 10 показано соотношение между длительностью мертвого времени и величиной сквозного заряда. Для надежной конструкции усилителя класса D чрезвычайно важно гарантировать, чтобы мертвое время всегда было положительным и никогда не было отрицательным, чтобы не допустить попадания полевых МОП-транзисторов в режим пробоя.

Другой заметной причиной ухудшения характеристик усилителей класса D является накачка шины, которую можно увидеть, когда по полумостовой топологии низкочастотный выход подается на нагрузку.Всегда помните, что усиление каскада усилителя класса D прямо пропорционально напряжению на шине. Таким образом, колебания шины создают искажения. Поскольку энергия, протекающая в коммутационном каскаде класса D, является двунаправленной, есть период, когда усилитель класса D подает энергию обратно в источник питания. Большая часть энергии, поступающей обратно к источнику питания, поступает из энергии, запасенной в катушке индуктивности в выходном фильтре LPF. Обычно источник питания не может поглощать энергию, возвращаемую от нагрузки.Следовательно, напряжение на шине повышается, вызывая колебания напряжения на шине. Накачка шины не происходит в топологиях полного моста, потому что энергия, возвращаемая к источнику питания с одной стороны переключающей ветви, будет потребляться на другой стороне переключающей ветви.

EMI в усилителях класса D
EMI (электромагнитные помехи) в конструкции усилителя класса D создают проблемы, как и в других коммутационных приложениях. Одним из основных источников электромагнитных помех является заряд обратного восстановления основного диода полевого МОП-транзистора, протекающий от верхней шины к нижней, аналогично сквозному току.В течение мертвого времени, установленного для предотвращения сквозного тока, индукционный ток в выходном фильтре LPF включает основной диод. На следующей фазе, когда другая сторона полевого МОП-транзистора начинает включаться в конце мертвого времени, основной диод остается в проводящем состоянии, пока сохраненный неосновной носитель не будет полностью разряжен. Этот ток обратного восстановления, как правило, имеет остроконечную форму и приводит к нежелательному звену из-за паразитных индуктивностей на дорожках печатной платы и в корпусе. Следовательно, компоновка печатной платы имеет решающее значение как для прочности конструкции, так и для снижения электромагнитных помех.

Заключение
Высокоэффективные усилители класса D теперь обеспечивают производительность, аналогичную обычным усилителям класса AB, если ключевые компоненты тщательно выбраны и компоновка учитывает тонкое, но значительное влияние паразитных компонентов. Повышенная эффективность, повышенная плотность мощности и улучшенные звуковые характеристики приводят к более широкому использованию усилителей класса D с еще большим количеством улучшений на горизонте.

Работа схемы усилителя класса D и ее применение

В современном мире основной целью усиления звука в аудиосистеме является точное воспроизведение и усиление заданных входных сигналов.И одна из самых больших проблем — получить высокую выходную мощность с минимально возможными потерями мощности. Технология усилителей класса D оказывает все большее влияние на мир живого звука, предлагая высокую мощность с нулевым рассеянием мощности и меньший вес, чем когда-либо прежде. В настоящее время портативные музыкальные устройства становятся все более популярными в связи с растущим спросом на внешние звуки в портативных музыкальных устройствах.

Иногда для усиления звука используются ламповые усилители, но они громоздкие по размеру и не подходят для портативных электронных звуковых систем.Для большинства потребностей в усилении звука инженеры предпочитают использовать транзисторы в линейном режиме, чтобы создать масштабированный выход на основе небольшого входа. Это не лучшая конструкция для усилителей звука, потому что линейные транзисторы будут постоянно проводить, выделять тепло и потреблять энергию. Эта потеря тепла является основной причиной, по которой линейный режим не является оптимальным для портативных аудиоприложений с батарейным питанием. Есть много классов звуковых усилителей; A, B, AB, C, D, E и F. Они подразделяются на два различных режима работы: линейный и коммутационный.

Усилитель класса D

Усилители мощности с линейным режимом — Классы A, B, AB и класс C — это усилители с линейным режимом, у которых выходной сигнал пропорционален входному сигналу. Усилители линейного режима не насыщаются, не включаются и не выключаются полностью. Поскольку транзисторы всегда являются проводящими, выделяется тепло и постоянно потребляется энергия. Это причина того, что линейные усилители имеют более низкий КПД по сравнению с переключаемыми усилителями. Коммутационные усилители классов D, E и F являются коммутирующими усилителями.У них более высокий КПД, который теоретически должен составлять 100%. Это потому, что нет потерь энергии на рассеивание тепла.

Что такое усилитель класса D?

Усилитель

класса D представляет собой переключающий усилитель, и когда он находится в состоянии «ВКЛ», он проводит ток, но имеет почти нулевое напряжение на переключателях, поэтому тепло не рассеивается из-за потребляемой мощности. Когда он находится в режиме «ВЫКЛ», напряжение питания будет проходить через полевые МОП-транзисторы, но из-за отсутствия тока переключатель не потребляет энергию.Усилитель будет потреблять мощность только во время переходов включения / выключения, если не учитываются токи утечки. Усилитель класса D, состоящий из следующих каскадов:

Модулятор PMW
Цепь переключения
Выходной фильтр нижних частот

Блок-схема усилителя класса D

Модулятор PMW

Нам нужен строительный блок схемы, известный как компаратор. Компаратор имеет два входа, а именно вход A и вход B. Когда на входе A напряжение выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение (+ Vcc).Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение (-Vcc). На рисунке ниже показано, как компаратор работает в усилителе класса D. На один вход (пусть это будет вход A) подается сигнал, который нужно усилить. Другой вход (Вход B) снабжен точно сгенерированной треугольной волной. Когда уровень сигнала мгновенно превышает уровень треугольной волны, выходной сигнал становится положительным. Когда уровень сигнала мгновенно ниже, чем уровень треугольной волны, выходной сигнал становится отрицательным.В результате получается цепочка импульсов, ширина которой пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Это известно как «широтно-импульсная модуляция» или ШИМ.

Модулятор PMW

Цепь переключения

Несмотря на то, что выход компаратора является цифровым представлением входного аудиосигнала, он не может управлять нагрузкой (динамиком). Задача этой схемы переключения — обеспечить достаточный коэффициент усиления мощности, который необходим для усилителя. Схема переключения обычно разрабатывается с использованием полевых МОП-транзисторов.Очень важно спроектировать так, чтобы переключающие цепи генерировали сигналы, которые не перекрывались, иначе вы столкнетесь с проблемой короткого замыкания источника питания прямо на землю или при использовании разделенного источника питания, закорачивающего источники питания. Это называется сквозным проходом, но его можно предотвратить, подав на полевые МОП-транзисторы неперекрывающиеся сигналы затвора. Время без перекрытия известно как мертвое время. При разработке этих сигналов мы должны сохранять мертвое время как можно более коротким, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низким уровнем искажений, но должно быть достаточно длинным, чтобы оба полевых МОП-транзистора не проводили одновременно.Время, в течение которого полевые МОП-транзисторы находятся в линейном режиме, также должно быть сокращено, что поможет гарантировать, что полевые МОП-транзисторы работают синхронно, а не оба проводят одновременно.

Для этого приложения необходимо использовать силовые полевые МОП-транзисторы из-за увеличения мощности в конструкции. Усилители класса D используются из-за их высокой эффективности, но полевые МОП-транзисторы имеют встроенный диод, который паразитирует и позволяет току продолжать свое движение в течение мертвого времени. Диод Шоттки можно добавить параллельно со стоком и истоком полевого МОП-транзистора, чтобы уменьшить потери через полевой МОП-транзистор.Это снижает его потери, поскольку диод Шоттки работает быстрее, чем основной диод полевого МОП-транзистора, что гарантирует отсутствие проводимости основного диода в мертвое время. Для уменьшения потерь из-за высокой частоты диод Шоттки, подключенный параллельно полевому МОП-транзистору, практичен и необходим. Этот Шоттки обеспечивает подачу напряжения на полевые МОП-транзисторы перед выключением. Общая работа полевых МОП-транзисторов и выходного каскада аналогична работе синхронного понижающего преобразователя. Формы входных и выходных сигналов схемы переключения показаны на рисунке ниже.

Цепь переключения

Выходной фильтр нижних частот

Последним каскадом усилителя класса D является выходной фильтр, который ослабляет и удаляет гармоники частоты сигнала переключения. Это можно сделать с помощью обычного фильтра нижних частот, но наиболее распространенным является комбинация катушки индуктивности и конденсатора. Желателен фильтр 2-го порядка, чтобы у нас был спад -40 дБ / декада. Диапазон частот среза составляет от 20 кГц до примерно 50 кГц из-за того, что люди не слышат ничего выше 20 кГц.На рисунке ниже показан фильтр Баттерворта второго порядка. Основная причина, по которой мы выбираем фильтр Баттерворта, заключается в том, что он требует наименьшего количества компонентов и имеет ровный отклик с резкой частотой среза.

Выходной фильтр нижних частот

Применение усилителя класса D

Он больше подходит для портативных устройств, поскольку не содержит дополнительных радиаторов. Так легко носить с собой. Усилитель высокой мощности класса D стал стандартом во многих приложениях бытовой электроники, таких как

Телевизоры и домашние кинотеатры.
Крупная бытовая электроника
Усилители для наушников
Мобильная техника
Автомобильная промышленность

Таким образом, речь идет о работе и применении усилителей класса D. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы, касающиеся этой концепции или реализации каких-либо проектов в области электротехники и электроники, просьба оставлять свои отзывы, комментируя их в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, Каковы применения усилителя класса D?

Что такое усилитель класса D? В чем его достоинства и недостатки

Что такое усилитель класса D

Усилители

класса D относятся к усилителям мощности звука класса D (иногда называемым цифровыми усилителями).Управляя включением / выключением блока переключателя, усилитель, управляющий динамиком, называется усилителем класса D. Усилители класса D были впервые предложены в 1958 году и в последние годы становятся все более популярными. Он доступен уже много лет. По сравнению с обычной схемой линейного усилителя мощности AB, усилитель мощности D имеет характеристики высокого КПД и небольших размеров.

Принцип усилителя мощности класса D

Усилитель мощности

класса D — это режим усиления, в котором усилительный элемент находится в рабочем состоянии переключения.При отсутствии входного сигнала усилитель находится в отключенном состоянии и не потребляет мощность. Во время работы транзистор насыщается входным сигналом. Транзистор эквивалентен переключателю, который напрямую включает питание и нагрузку. Идеальный транзистор не потребляет мощность, потому что нет падения напряжения насыщения. Фактически, транзистор всегда будет иметь небольшое падение напряжения насыщения и потреблять часть мощности. Это потребление энергии связано только с характеристиками лампы и не имеет ничего общего с размером выходного сигнала, поэтому оно особенно полезно для приложений сверхвысокой мощности.

Преимущества усилителя мощности класса D

1. Усилитель мощности класса D имеет широкий спектр применения. Минимальное значение импеданса нагрузки, подключенной к нему, может быть очень низким. Кроме того, можно сказать, что коэффициент преобразования батареи постоянный независимо от изменения импеданса нагрузки.

2. Усилитель мощности класса D очень подходит для массового производства продукции. Если вы убедитесь, что компоненты установлены правильно, вы можете сделать продукт очень согласованным, и в процессе производства не потребуется отладка, что является безопасным и надежным.

3. Усилитель мощности класса D имеет очень высокий коэффициент преобразования потребляемой энергии, небольшой объем и высокую надежность. Уровень использования батареи усилителя класса D может достигать более 90%, что соответствует требованиям защиты окружающей среды.

4. Усилители класса D могут напрямую реализовывать такие функции, как групповое управление, дистанционное управление и мониторинг, без добавления каких-либо устройств.

5. Нет относительного изменения высокой, промежуточной и низкой частоты усилителя мощности класса D.Его звук очень чистый, а звуковой образ имеет очень точное позиционирование.

Недостатки усилителей класса D

1. Во время первоначального подключения и окончательного отключения силового транзистора усилителя мощности класса D потенциал вблизи земли будет колебаться, что приведет к увеличению шума.

2. Динамики усилителя мощности класса D могут по какой-то причине казаться искаженными.

3. Специального переключателя для усилителя мощности класса D нет.Если установленный силовой транзистор плохо сочетается с другими устройствами, качество всего изделия не пройдёт.

4. Выходная цепь усилителя мощности класса D может иметь зону нечувствительности и т.д.

AIYIMA

Фокус на аудио

Как работает «цифровой» усилитель класса D

Большинство аудиофилов и энтузиасты выросли с хотя бы базовым пониманием того, что усилитель делает. Требуется крошечный переменный электрический сигнал, который представляет от момента к моменту изменения музыкальных частот и их амплитуд (уровни громкости), и многократно увеличивает их силу, так что они мощные достаточно, чтобы двигать диффузоры и купола динамиков вперед и назад, чтобы генерировать воздух колебания давления (волны), которые воспроизводят исходные звуковые волны.Музыкальный тоны меняются так медленно, как 16 раз в секунду (16 Гц) — очень низкий орган примечание — до 15 000 раз в секунду (15 кГц) или более — самый высокий гармоники тарелки или скрипки, например.

Hi-Fi аналоговый Усилители

До недавнего времени большинство высококачественных аудиосистем усилители были аналоговыми, и большинство из них относились к классу A / B. Что это иметь в виду? Возможно, один из самых простых способов понять, как аналоговый звук усилитель работает, если рассматривать его как своего рода сервоуправляемый «клапан» ( последнее — то, что британцы называют вакуумными лампами), который регулирует запасенную энергию от стенной розетки, а затем выпускает его в дозированном количестве в ваш колонки.

Сумма разряженный синхронизируется с быстрыми изменениями входящего аудиосигнала. Этот слабый сигнал переменного тока используется для модуляции цепи, высвобождающей мощность (напряжение и сила тока) накапливаются большими конденсаторами и трансформатором в усилителе источник питания, мощность, которая разряжается точно так же, как крошечные модуляции входящего звукового сигнала.

Этот сигнал в входной каскад усилителя применяет переменную проводимость к выходной цепи транзисторы, которые высвобождают мощность из источника питания усилителя для перемещения вашего конусы и купола громкоговорителей.Как будто вы быстро поворачиваете на кране (вы поворачиваете кран — это звуковой сигнал), который высвобождает все накопленное давление воды — водонапорная башня или резервуар являются хранилищем конденсаторы — по определенному образцу, разновидность жидкого кода. За наших Это все, что нам нужно знать об аналоговом усилении.

Цифровой Усиление

В основном цифровой усилитель (класса D) требует входящий аналоговый сигнал и преобразует его в цифровое представление, состоящее из ширины импульса.Хотя существует ряд различных вариантов дизайна, Усилители класса D — это, по сути, переключающие усилители или широтно-импульсный модулятор. (ШИМ) конструкции. Входящий аналоговый аудиосигнал используется для модуляции очень высокого несущая с частотной широтно-импульсной модуляцией (PWM), которая работает либо на выходном каскаде. полностью включен или выключен. Позже эта сверхвысокочастотная несущая должна быть удалена. от аудиовыхода с фильтром реконструкции, чтобы не было сверхвысоких компоненты переключения частоты остаются для искажения аудиосигналов.

Различия в Широтно-импульсная и кодовая модуляция
Работа цифрового усилителя это немного похоже на то, как CD или цифровой рекордер работает с PCM (Pulse Code Модуляция), основа всех цифровых аудиозаписей. В цифровом формате PCM запись (например, компакт-диск), цифровой дискретный АЦП (аналого-цифровой преобразователь) «описывает» входящие аналоговое напряжение и частоту с помощью цифрового код единиц и нулей. Но в цифровом усилителе ширина импульса Модулятор описывает низкочастотный аудиосигнал как «ширину импульса», поэтому шириной много миллисекунд.(Высокая частота будет более узким импульсом, меньшим миллисекунды — см. диаграмму). Как только аналоговый аудиосигнал (изгибающийся красный синусоида, преобладающая над импульсами) «описывается» в терминах ширины импульса, это усиливается, а затем преобразуется обратно в аналоговую форму. Во время этого процесса фильтр реконструкции должен удалять все импульсы включения и выключения, оставляя только более низкие частоты, представляющие аудиосигнал.

Как руководитель Axiom Инженер по исследованиям и разработкам Том Камберленд описывает это: цифровой усилитель — это «сила ЦАП », и, конечно же, ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) является основой всех цифровые носители, будь то компакт-диски, аудио высокого разрешения, Blu-Ray саундтреки, DVD-видео и т. д.Некоторые считают, что «все цифровые усилители дерьмо »не соответствует действительности. Фактически, тактовая частота хорошего цифрового усилителя звука обычно находится в диапазоне от 350 до 500 кГц (то есть 500 000 Гц). (Axiom’s A1400 цифровой усилитель использует тактовую частоту 450 кГц.) Напротив, даже цифровая аудиосистема высокого разрешения (DVD-Audio и вариант, используемый для Саундтреки Blu-ray) работает на частоте 192 кГц, что намного ниже тактовой частоты хороший цифровой усилитель.

Различные формы усиления класса D
Хотя мы можем подумать, что «цифровой» означает все схемы в цифровом усилителе работают импульсами включения / выключения, на самом деле есть ряд различных типов, включая цифровые усилители, имеющие аналоговые элементы.

A цифровой усилитель будет иметь аналоговые или цифровые входы. Хорошие цифровые усилители с аналоговыми входами можно использовать аналоговые сети обратной связи для снижения мощности усилителя. искажения, почти так же, как аналоговый усилитель класса A / B использует сеть отрицательной обратной связи для уменьшения искажений. Однако цифровой усилитель который принимает только цифровой вход, должен полагаться на входящий цифровой сигнал для меньшие искажения.

Обратная связь Сети
Почему сети обратной связи? Причина их использования в том, что все части усилителя имеют «допуски», что означает, что любой конкретный часть имеет диапазон или значение, в котором она работает.Любой, кто исследовал такие основные части, как резисторы, возможно, заметили, что они указаны как «5%» или Резисторы «10%», что означает, что указанное значение резистора является точным в пределах диапазон 5% или 10% соответственно. Следовательно, из-за этих вариаций частей, сеть обратной связи «смотрит» на исходящий сигнал от усилителя — тот, который идет к вашим громкоговорителям — и сравнивает его с входящим звуком сигнал на входах усилителя. Любое отклонение стоимости от входящего сигнал является искажением, поэтому сеть отрицательной обратной связи применяет обратную исправление для компенсации.

Есть даже отличия в работе цифровых усилителей.

Например, «ДВС» цифровые усилители, разработанные подразделением Ice Power датской компании Bang & Olufsen использует очень сложную систему отрицательной обратной связи из-за допусков деталей. B&O владеет патентами на свой усилитель «ICE», который в основном относится к классу D. коммутационная конструкция (широтно-импульсный модулятор) с вариантами, которые заявляет B&O уменьшает искажения до уровней, присущих усилителям класса A, сохраняя при этом высокая эффективность коммутационных схем класса D.

«IR» (Международный Rectifier) - это система, используемая Axiom Audio в своем цифровом усилителе A1400. Axiom работала с International Rectifier, чтобы обеспечить соблюдение допусков деталей. минимальная сумма, чтобы можно было использовать очень мало отрицательных отзывов для исправьте аномалии на выходе. Такой подход также сделал усилитель более надежен в работе, не подвержен колебаниям или нестабильность.

Аксиома и ИК разработали новые кремниевые выходные устройства, управляющие полевыми МОП-транзисторами в выходном каскаде. таким образом, чтобы получить идеальную прямоугольную волну с широтно-импульсной модуляцией на вывод перед фильтром реконструкции.

Плюсы и минусы Цифровые усилители ICE и IR
Один из недостатков использования комплекса сеть отрицательной обратной связи в цифровом усилителе того типа, который используется в конструкциях ДВС это потенциальная потеря эффективности (около 83%). Производительность также может пострадать из-за более медленная тактовая частота.

В ИК-типе цифровой дизайн, который использует очень мало отрицательных отзывов или совсем не использует их, тактовая частота выше, а эффективность увеличивается. Кроме того, высокая эффективность в сочетании с высокой мощностью и более высоким общим разрешением.На полной мощности Цифровой усилитель Axiom A1400 работает с КПД около 95% (для сравнения, класс A / B аналоговые усилители имеют КПД от 50% до 60%; остаток тратится впустую нагревать).

Особая благодарность Axiom Аудио за возможность перепечатать эту статью.

lovinthehd сообщений 14 августа 2021 21:00

Как звучит «квантование»? Совершенно не знаком с этим термином …

Стив Кац сообщений от 14 августа 2021 г., 20:59

В моем студийном мониторе JBL LSR6300 используется D, и я слышу, что звучит как квантование на низких уровнях.Это возможно? Чтобы исправить это, есть ли у кого-нибудь идеи, что это может быть? Получение схемы из JBL будет приключением, даже если продукт больше не выпускается.

Буду признателен за любые рекомендации… s

Lordoftherings Сообщений: Май 09, 2009 05:10

Джизассе, пост: 563664
Легко понять. Спасибо.

Никакого пота.

engtaz сообщений от Май 08, 2009 11:40

Спасибо за информацию.

Kitsum сообщений от Май 08, 2009 11:29

Отличное чтение.Теперь нам нужна статья о классе H.

Открывая новую главу в характеристиках аудиоусилителя класса D

В этой статье мы более подробно рассмотрим транзисторы из нитрида галлия (GaN) и то, как эта новая полупроводниковая технология обещает произвести революцию в характеристиках усилителей класса D.

С их очень низкое сопротивление в открытом состоянии, очень высокая и чистая коммутационная способность Устройства на основе GaN превосходят характеристики своих кремниевых аналогов MOSFET.Это делает они идеальный выбор для высококачественных аудиоприложений, обладающих потенциалом чтобы поднять качество звука на новый уровень.

Класс D — усиление сигналов с переключателем

В 1950-х годах была воплощена в жизнь новая революционная концепция: усиление аудиосигналов с помощью активных устройств, которые не работают в режиме линейного усиления, а вместо этого действуют как электронные переключатели. Принцип работы заключается в том, что вместо использования транзистора для усиления сигнала, пропорционального входному сигналу в линейной области, значение аналогового выхода выражается посредством временного соотношения транзистора, находящегося в открытом и закрытом состоянии.Это генерирует последовательность прямоугольных импульсов, обычно фиксированной амплитуды [1], но с различной шириной и разделением, которая затем представляет изменения амплитуды входного аналогового аудиосигнала.

В основном чем дольше включенное состояние по сравнению с выключенным, тем выше мощность, которую он обеспечивает к нагрузке динамика. Благодаря тому, что переключатели меняются намного быстрее, чем частоты звукового сигнала, операция переключения становится неразличимой. С транзисторы либо полностью «включены», либо полностью «выключены», они проводят очень мало времени в линейной области и поэтому очень мало рассеивают власть.

Рисунок 1: Идеальный и практичный усилитель класса D, базовая конфигурация усилителя класса D и влияющие факторы. Искажения и энергоэффективность усилителя класса D зависят от точности и эффективности переключающих устройств.

Хотя класс D это первая топология усилителя, которая теоретически предлагает полностью линейную работа с 0% искажениями и без потерь мощности при 100% КПД, коммерциализацию усилителей звука класса D пришлось отложить до 90-х годов, когда кремниевые (Si) МОП-транзисторы с достаточно хорошими параметрами устройств получили широкое распространение. доступный.

С тех пор производительность усилителей класса D постепенно улучшалась с развитием производительности Si MOSFET как предпочтительной технологии транзисторных устройств. В последнее время однако, поскольку устройства на основе GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов (HEMT) с гораздо лучшими физическими свойствами стали реальностью, скачок в классе D Производительность усилителя не за горами.

Производительность коммутатора определяет качество звука

Давайте посмотрим на ключевые параметры силового устройства и на то, как они влияют на переключение и, в конечном итоге, качество звука усилителя класса D.

В отличие от традиционные классы линейного усиления, такие как класс A или AB, с точки зрения параметры устройства усилитель класса D не требует компромисса между аудио производительность, размер и энергоэффективность. В классе D ключевые параметры устройства, такие как скорость переключения и сопротивление при включении, которые необходимы для достижения высокого качества звука, также помогают увеличить мощность эффективность. Более высокая скорость переключения сводит к минимуму потери переключения за счет сокращения энергии продолжительность потерь и более низкое сопротивление устройства сокращают потери I ² R (пропорционально квадрату тока).Это означает один из великих преимущества класса D: одновременно улучшенные показатели качества для устройства выключателя питания обеспечивает улучшенное качество звука и энергоэффективность при меньшей занимаемой площади.

Коммутационная способность класса Усилитель D определяется как параметрами устройства, так и условиями эксплуатации. В зависимости от амплитуды выходного сигнала тока силовой каскад усилителя класса D работает в одном из двух режимов переключения:

нулевое напряжение переключение (ZVS) и
аппаратное переключение

Эти два режима существенно влияют на коммутационные потери устройства (потери в результате коммутации действие) усилителя класса D.

Усилитель класса D работает в первом рабочем режиме, ZVS, когда выходная мощность (и выходной ток) относительно низки, обычно до нескольких процентов от номинальной мощности. В режиме ZVS изменение формы сигнала переключения выхода ̶̶ вместо включения переключателя ̶ достигается коммутацией тока индуктора. Такая коммутация выходного напряжения переключателя по существу исключает любые потери мощности, возникающие при включении переключателя. Таким образом, чтобы максимизировать энергоэффективность в условиях простоя и небольшой нагрузки, в которых усилитель работает большую часть времени, вводится короткое время гашения.Все переключатели находятся в выключенном состоянии в течение этого времени гашения, чтобы гарантировать, что переход формы сигнала переключения завершится до начала следующего цикла переключения, то есть достижения ZVS. Однако эта вставка времени гашения также изменяет форму выходного сигнала, требуемого модулятором ШИМ, и, следовательно, создает искажения. Продолжительность времени гашения определяется выходной емкостью (C _oss) силового устройства. Для большего C _oss требуется более длительное время гашения при том же выходном токе.Намного более низкое значение C _oss GaN-транзистора сокращает требуемую продолжительность времени гашения и, следовательно, уменьшает искажения. Как обсуждается ниже, более низкое Coss также выгодно, когда усилитель класса D работает в режиме жесткого переключения.

Вторая операция режим — жесткое переключение (при более высокой выходной мощности / токе), имеющее два нежелательных результаты. Первым неблагоприятным последствием режима жесткого переключения является заряд с обратным восстановлением (Q _rr) в основном диоде полевого МОП-транзистора.В течение время гашения, все выключатели питания выключены, а внутренний диод выводит сигнал Текущий. PN-переход в корпусном диоде аккумулирует неосновные носители. заряд во время его проведения. Q _rr необходимо разрядить перед переходом выходного напряжения на другую сторону переключателя. Этот шаг в в дополнение к генерации потерь мощности, генерирует резкий высокий пик тока между шины питания и является основным источником электромагнитных помех (EMI) шумовое излучение. Транзистор GaN не имеет основного диода или неосновного заряда. эффекты, исходящие от физики устройства.Следовательно, он показывает ноль Q _rr реализация намного более чистых форм сигналов переключения.

Второй нежелательный Результат жесткого переключения является результатом выходной емкости переключателя, С _ОСС. C _oss необходимо зарядить и разрядить, чтобы включение и выключение, поэтому больший C _oss означает больший заряд / разряд энергия. Энергия, накопленная в C _oss, когда переключатель повернут выкл, рассеивается при следующем включении переключателя.Это рассеяние — это значительный источник потерь мощности при высоких частотах переключения. Очень маленький C _oss транзистора GaN хранит гораздо меньше энергии и, следовательно, снижает коммутационные потери мощности.

Аналогичен потери при переключении, потери проводимости в силовых устройствах также зависят от обоих технология устройства и условия эксплуатации. Потеря проводимости пропорциональна к устройству на сопротивление и к квадрат тока устройства. Технология GaN обеспечивает более низкое сопротивление в открытом состоянии в меньшем форм-факторе, что обеспечивает компактную конструкцию с высокой мощностью.

Традиционно пока выбор полевых МОП-транзисторов для усилителей класса D, потери коммутируемой и проводящей мощности находятся в компромиссных отношениях в технологии устройства. Например, уменьшение потеря проводимости за счет увеличения размера кристалла для снижения сопротивления в открытом состоянии может приводит к увеличению емкости затвора и выхода, что замедляет переключение скорость, следовательно, увеличивает коммутационные потери. Транзистор GaN, революционный прогресс в технологии транзисторов, обеспечивает более низкое сопротивление в открытом состоянии при уменьшении емкости затвора и выхода, что позволяет значительно снизить мощность убытки.Следовательно, в усилителях класса D транзистор GaN не только позволяет эффективный и компактный дизайн, но также обеспечивает превосходное качество звука при в то же время.

Почему GaN — это будущее для high-end класса D

A Класс D усилитель требует более низкого R _{DS (on)}, а также более быстрого и чистого коммутационные переходы для более высоких номинальных мощностей, которые традиционно являются противодействие компромиссу производительности Si MOSFET. Вот почему усилители класса D может получить большую выгоду от GaN.Давайте теперь посмотрим, как работает устройство механизм, чтобы узнать, как достигается эта революционная производительность.

Рис. 2. Поперечное сечение HEMT

Infineon в электронном режиме CoolGaN ™. структура GaN HEMT аналогична Si MOSFET, она включает затвор, исток и сливные терминалы. Сердце переключателя GaN — это боковой двумерный слой электронного газа (2DEG), сформированный в слое GaN. 2DEG — это набор бесплатных электроны, образованные гетеропереходом между AlGaN и GaN, делая короткое замыкание между истоком и стоком с очень низким сопротивлением.Добавление затвора p-GaN поверх слоя AlGaN приводит к обеднению соседнего 2DEG. поэтому сток и исток не проводят, когда не применяется смещение затвора (V _GS = 0 В). Этот вентиль режима улучшения работает так же, как и в обычные Si MOSFET. Когда на затвор подается положительное напряжение смещения, обеднение исчезает, и 2DEG образует проводящий провод с низким сопротивлением. канал.

Реверс Режим проводимости от истока к стоку важен для усилителей класса D во время время гашения, чтобы коммутируемое выходное напряжение оставалось в пределах мощности подача рельсов.Коммутатор GaN по своей природе является двунаправленным устройством, поэтому он реализует обратный ток как одно из включенных состояний. Когда напряжение стока становится ниже истока, сток начинает действовать как исток и включается устройство, позволяющее протекать обратный ток. Напротив, Si MOSFET является однонаправленным переключатель, сопровождаемый внутренним диодом с PN-переходом, который обеспечивает обратный ток от истока к стоку при выключенном устройстве.

Рис. 3. Более быстрые и четкие формы сигналов переключения с CoolGaN ™ по сравнению с Si MOSFET

. основной диод в GaN HEMTs является примечательной особенностью, поскольку он устраняет основные источник шума переключения, вызванный диодом с PN-переходом, который часто встречается в Si МОП-транзисторы.Таким образом, GaN HEMT обеспечивают более чистое переключение даже при высоких напряжениях, а также при больших токах и высокоскоростных коммутационных операциях.

Рабочий пример — усилитель класса D на основе GaN мощностью 250 Вт раствор

Обсуждаемый в эталонном примере усилителя класса D используется CoolGaN ™ (IGT40R070D1 E8220) и микросхему драйвера класса D на 200 В (IRS20957S) от Infineon.

Для использования GaN HEMT требуется другая схема управления воротами. Si-МОП-транзисторы получают напряжение затвора 0 В или 10 В при источник для выключения и включения.Затворно-инжекционный тип GaN транзистор, такой как CoolGaN ™ от Infineon, управляется аналогичным образом, но с другим напряжением управления затвором и некоторым постоянным током смещения затвора. В этом примере конструкции схема сопряжения (R25, R26, R29, C12 и D6 в привод затвора нижней стороны и идентичен для высокой стороны) вставляется в ворота из GaN HEMT. Выходной сигнал схемы интерфейса колеблется в пределах -1 В. и +3 В вместо 0 В и 10 В от ИС контроллера IRS20957S класса D.

Конструкция таблицы 1 технические характеристики эталонного дизайна

Элемент	С радиатором	Без радиатор
Номинальная мощность при THD + N = 1%, нагрузка 8 Ом	250 Вт	160 Вт
Номинальная мощность при THD + N = 1%, нагрузка 4 Ом	220 Вт	N / A
THD + N, Pout = 100 Вт	0.008%
Напряжение на шине	± 72,5 В	± 52,0 В
Частота ШИМ	500 кГц

Рис. 4. Пример конструкции класса D мощностью 250 Вт + 250 Вт с использованием выделенного аудиоустройства CoolGaN ™ (IGT40R070D1 E8220) на 400 В, 70 мОм

Результат звуковые характеристики показаны на рисунке 5. Здесь видно чистое переключение на частоте 500 кГц, особенно если учесть, что это 400 В, 70 мОм R _{DS (on) max} транзистор.Нет видимого скачка перехода уровня THD + N при переходе от мягкого к жесткое переключение, которое может появиться около нескольких ватт в высоковольтном классе D усилители. Область с жестким переключением приятная и тихая.

Рисунок 5: THD + N в зависимости от выходной мощности при нагрузке 4 Ом

Как указано выше, преимущества усилителей класса D на основе GaN оправдывают использование этого нового полупроводниковый материал. Устройства GaN, которые теперь проникают в аудиодомен, отмечают начало следующей главы об усилении мощности звука.И почему это особенно подходит для класса D? В отличие от обычных линейных топологий, Красота класса D заключается в том, что и энергоэффективность, и качество звука могут быть реализованы улучшения, и все это даже в меньших форм-факторах.

Для получения дополнительной информации о технологии CoolGaN ™ посетите сайт www.infineon.com/gan.

Автор: Джун Хонда, ведущий инженер по аудиосистеме класса D, и Паван Гарг, инженер по системным приложениям в Infineon Technologies

Список литературы

[1] Перссон Э.Приложение «CoolGaN ™» примечание », примечание по применению Infineon AN_201702_PL52_010

[2] Краткое описание продукта Infineon, CoolGaN ™ 400 В Электронная мода GaN HEMT

[3] Оценка Infineon EVAL_AUDAMP24 доска

[4] Cerezo J. «Усилитель звука класса D Отношение производительности к параметрам MOSFET », примечания к применению Infineon Ан-1070

[1] Хотя современные многоуровневые выходные каскады класса D могут обеспечивать несколько уровней выходной амплитуды.

Полный текст статьи можно найти в электронной книге.

Силовая электроника играет все более важную роль на различных рынках, таких как автомобильный, промышленный и потребительский. Это также технология, позволяющая реализовать широкий спектр новых и улучшенных функций, которые повышают производительность, безопасность и функциональность автомобилей и интеллектуальных сетей. Сложные электрические и тепловые требования сильно влияют на конструкцию силовых электронных систем. Новости силовой электроники будут посвящены основным темам, таким как преобразователь мощности, управление движением, полупроводники и управление температурой.Электронная книга Power Electronics News — это интерактивный подход к информированию о последних технологиях, тенденциях и инновационных продуктах на определенных рынках.

Усилители

класса D — Electronics-Lab.com

Введение

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

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

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

Представление усилителя класса D

Усилители

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

рис 1: Блок-схема усилителя класса D
В то время как классические усилители принимают на вход синусоидальный сигнал, усилители класса D предварительно преобразуют его через модулятор в прямоугольный сигнал.В специальном разделе мы увидим, что представление о модуляции, предложенное на рис. 1 , является чрезмерно упрощенным.
Коммутационный каскад — это то место, где происходит усиление за счет транзисторов. В разделе, посвященном этому этапу, мы подробно представляем, что транзисторы работают в определенном режиме и дополнительной конфигурации для правильного усиления прямоугольного сигнала.
Наконец, фильтр нижних частот используется для восстановления синусоидальной формы сигнала.Более того, этот последний этап устраняет нежелательные гармоники, которые могли возникнуть в процессе усиления.
Модуляция
Существует множество методов модуляции, однако наиболее распространенным и широко используемым для многих приложений является ширина импульса (ШИМ) . Простой график, представляющий ШИМ, показан на Рис. 2 ниже:
Рис. 2: Принцип ШИМ модулятора

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

Выход модулятора получается путем следующего сравнения этих двух сигналов:

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

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

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

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

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

рис. 4: Усреднение сигнала ШИМ

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

Усиление

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

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

рис 5: Двухтактная конфигурация каскада усиления

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

Фильтрация

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

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

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

Рис. 6: L // C-фильтр нижних частот

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

уравнение 1: Частота среза фильтра нижних частот

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

. Рис. 7: Частотная характеристика фильтра Баттерворта второго порядка

. Несколько уровней параллельных конфигураций LC приветствуются, поскольку каждый уровень увеличивает порядок фильтра и, следовательно, качество фильтрации. На рис. 8 мы можем отметить разницу между выходными данными, полученными при применении фильтра Баттерворта первого или второго порядка к нашему примеру:

Рис. 8: Разница в выходном сигнале между фильтром Баттерворта первого и второго порядка
Поскольку входной сигнал имеет частоту 2 Гц, а несущая частота составляет 20 Гц, для этого фильтра была выбрана частота среза 4 Гц.Мы можем выделить тот факт, что фильтр первого порядка не подходит, поскольку он недостаточно ослабляет несущую частоту, в то время как выходной сигнал фильтра второго порядка намного более синусоидален.
КПД
Оригинальный принцип работы усилителя класса D позволяет довести его эффективность до очень высокого уровня. Такой высокий КПД объясняется тем, что транзисторы ведут себя почти как идеальные переключатели:
Когда они выключены, ток I _DS не течет между стоком и истоком.
Когда они включены, на стоке и истоке не наблюдается напряжения V _DS.
Следовательно, отсутствие мощности V _DS × I _DS рассеивается в виде потерь (тепла). Обычно КПД усилителей класса D превышает 90% .
Заключение
Усилители
класса D работают совершенно иначе, чем усилители других обычных классов (A, B, C). Они действительно очень нелинейны и включают в себя специальные модули для обработки сигналов.
Первая операция, которую необходимо выполнить, называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и заключается в сравнении входного сигнала с высокочастотным треугольным сигналом. Независимо от того, находится ли входной сигнал выше или ниже несущей, генерируется новый сигнал, называемый выходом ШИМ, который состоит из прямоугольного сигнала с той же частотой несущей, но с переменным рабочим циклом. Этот сигнал напрямую связан с исходной формой синусоидального входа.
Перед получением синусоидального сигнала каскад переключения, выполненный с двумя дополнительными NMOS и PMOS в двухтактной конфигурации, усиливает выходной сигнал PWM.Особенность транзисторов в том, что они переключаются между полностью включенными и выключенными состояниями и никогда не работают в своей линейной зоне.
С этим усиленным импульсным сигналом последний каскад, состоящий из L // C-цепи, действует как фильтр Баттерворта для восстановления исходной синусоидальной формы. Важно правильно установить частоту среза, чтобы исключить несущую частоту и связанные с ней гармоники. Более того, фильтр Баттерворта высокого порядка предпочтителен, чтобы избежать как можно большего искажения.
Наконец, мы отметили, что эффективность этого усилителя заметно выше, чем у типичных классов, из-за низкой рассеиваемой мощности, которая стала возможной за счет переключения транзисторов. Этот факт является большим преимуществом в конструкции усилителя класса D : они не требуют тяжелых и громоздких радиаторов.