Усилитель звука d класса. Усилитель класса D: особенности, преимущества и применение в современной аудиотехнике

Что такое усилитель класса D. Как работает усилитель D класса. Какие преимущества у усилителей класса D. Где применяются усилители D класса. Как выбрать усилитель класса D.

Что такое усилитель класса D и в чем его особенности

Усилитель класса D представляет собой относительно новый тип усилителей мощности звука, который в последние годы получил широкое распространение благодаря ряду преимуществ. Главная особенность усилителей класса D заключается в том, что они работают в импульсном режиме, используя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) сигнала.

В отличие от традиционных аналоговых усилителей классов A, B и AB, где транзисторы выходного каскада работают в линейном режиме, в усилителях класса D транзисторы работают в ключевом режиме — они либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Это позволяет существенно повысить КПД усилителя.

Принцип работы усилителя класса D

Принцип работы усилителя класса D выглядит следующим образом:

1. Входной аналоговый сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с помощью широтно-импульсного модулятора. Ширина импульсов пропорциональна мгновенному значению входного сигнала.
2. Полученные импульсы усиливаются по мощности с помощью транзисторных ключей, работающих в импульсном режиме.
3. Усиленный импульсный сигнал фильтруется с помощью LC-фильтра нижних частот, восстанавливая исходную форму сигнала, но уже с большей амплитудой.

Благодаря тому, что выходные транзисторы работают в ключевом режиме, потери на них минимальны. Это обеспечивает высокий КПД усилителя, достигающий 90% и более.

Основные преимущества усилителей класса D

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

• Высокий КПД (до 90-95%) — позволяет уменьшить габариты и вес устройства, а также снизить тепловыделение.
• Компактные размеры — благодаря высокому КПД требуются меньшие радиаторы для отвода тепла.
• Малый вес — уменьшение габаритов и системы охлаждения позволяет снизить общий вес усилителя.
• Низкое энергопотребление — высокая эффективность обеспечивает экономию электроэнергии.
• Возможность получения высокой выходной мощности.
• Хорошее качество звука при правильной реализации.

Сравнение усилителей класса D с другими типами усилителей

Рассмотрим, как усилители класса D соотносятся с другими распространенными типами усилителей:

Усилители класса А

Преимущества класса А:

• Наилучшее качество звука
• Минимальные искажения

Недостатки класса А:

• Крайне низкий КПД (25-50%)
• Большие габариты и вес
• Высокое тепловыделение

Усилители класса AB

Преимущества класса AB:

• Хорошее качество звука
• Умеренный КПД (50-70%)

Недостатки класса AB:

• Средние габариты и вес
• Заметное тепловыделение

Усилители класса D

Преимущества класса D:

• Высокий КПД (до 90-95%)
• Компактные размеры и малый вес
• Низкое тепловыделение

Недостатки класса D:

• Потенциально более высокие искажения
• Необходимость тщательной фильтрации выходного сигнала

Области применения усилителей класса D

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

Автомобильные аудиосистемы

Высокий КПД и компактные размеры делают усилители класса D идеальным выбором для автомобильных аудиосистем, где важны экономия пространства и низкое энергопотребление.

Портативные аудиоустройства

В смартфонах, планшетах и портативных колонках усилители класса D позволяют получить высокую выходную мощность при минимальном энергопотреблении, что критично для устройств с батарейным питанием.

Профессиональное звуковое оборудование

В концертных усилителях мощности класс D позволяет получить высокую выходную мощность при значительно меньших габаритах и весе по сравнению с традиционными усилителями.

Домашние аудиосистемы

Усилители класса D все чаще используются в домашних кинотеатрах и стереосистемах, особенно в компактных устройствах типа саундбаров.

Конструктивные особенности усилителей класса D

Типичный усилитель класса D состоит из следующих основных блоков:

1. Входной каскад с предварительным усилителем
2. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ)
3. Драйверы управления выходными транзисторами
4. Выходной каскад на мощных полевых транзисторах
5. LC-фильтр нижних частот на выходе
6. Источник питания (обычно импульсный)

Ключевую роль в работе усилителя класса D играет широтно-импульсный модулятор. Он преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность прямоугольных импульсов, ширина которых пропорциональна мгновенному значению входного сигнала.

Выходной каскад обычно выполняется на мощных полевых MOSFET-транзисторах, которые обеспечивают высокую скорость переключения и низкое сопротивление в открытом состоянии.

LC-фильтр на выходе усилителя служит для подавления высокочастотных составляющих ШИМ-сигнала и восстановления исходной формы усиленного сигнала.

Качество звука усилителей класса D

Долгое время считалось, что усилители класса D не способны обеспечить высокое качество звука из-за присущих им нелинейных искажений и шумов переключения. Однако современные разработки позволили существенно улучшить характеристики усилителей этого класса.

Основные факторы, влияющие на качество звука усилителей класса D:

• Частота ШИМ — более высокая частота позволяет улучшить линейность преобразования, но увеличивает потери на переключение.
• Качество выходного фильтра — правильно рассчитанный LC-фильтр позволяет эффективно подавить высокочастотные составляющие.
• Быстродействие выходных транзисторов — влияет на уровень искажений на высоких частотах.
• Качество схемотехники и компонентов — точность работы ШИМ-модулятора, стабильность источника питания и т.д.

Современные усилители класса D способны обеспечить качество звука, сравнимое с хорошими линейными усилителями класса AB, при существенно более высоком КПД.

Перспективы развития усилителей класса D

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

• Повышение рабочей частоты ШИМ для улучшения линейности преобразования
• Разработка новых алгоритмов модуляции для снижения искажений
• Применение цифровых технологий обработки сигнала
• Интеграция усилителей класса D в однокристальные решения
• Улучшение характеристик выходных транзисторов

Ожидается, что в ближайшие годы усилители класса D станут доминирующим типом усилителей в большинстве областей применения, вытесняя традиционные линейные усилители благодаря своей высокой эффективности и улучшающемуся качеству звука.

Как выбрать усилитель класса D

При выборе усилителя класса D следует обратить внимание на следующие параметры:

• Выходная мощность — должна соответствовать мощности используемых акустических систем
• Коэффициент нелинейных искажений (THD) — желательно не более 0.1% при номинальной мощности
• Частотный диапазон — должен перекрывать весь слышимый диапазон частот (20 Гц — 20 кГц)
• Отношение сигнал/шум — чем выше, тем лучше, желательно не менее 100 дБ
• Наличие защит от перегрузки, короткого замыкания, перегрева
• Качество изготовления и используемых компонентов

Также важно учитывать конкретную область применения усилителя. Например, для домашней аудиосистемы важнее качество звука, а для автомобильного усилителя — компактность и эффективность.

Заключение

Усилители класса D представляют собой современную и перспективную технологию усиления звука, сочетающую высокую эффективность с хорошим качеством звучания. Благодаря своим преимуществам, таким как компактность, низкое энергопотребление и возможность получения высокой выходной мощности, усилители этого класса находят все более широкое применение в различных областях аудиотехники.

Хотя изначально усилители класса D уступали линейным усилителям по качеству звука, современные разработки позволили в значительной степени преодолеть этот недостаток. Сегодня высококачественные усилители класса D способны обеспечить звучание, сравнимое с лучшими линейными усилителями, при существенно более высоком КПД.

Дальнейшее развитие технологии усилителей класса D, включая повышение рабочих частот, совершенствование алгоритмов модуляции и применение цифровых методов обработки сигнала, позволит еще больше улучшить их характеристики. Это делает усилители класса D одним из наиболее перспективных направлений развития аудиотехники в ближайшем будущем.

Выбор усилителя класса D с aliexpress / Stereo.ru

Вы не на тот ресурс пришли за советом на такую тему))

Так получилось что начиная увлекаться темой ровно год назад я понятия не имел что существует такой выбор техники, спец магазины-салоны итд. Знал что есть серьезная техника, типа ламп за много $$$ вне моего бюджета, а то что в соседнем сетевом магазине электроники впечатлило не больше имеющегося ресивера. Вот так бывает, слушал человек беспроводные HK Onyx + Spotify и горя не знал)) И тут товарищ подсунул китайцев — маленькая коробочка, а играет лучше ресивера))

Принесли мне сразу 4 штуки, товарищ брал з «запасом» для сравнения и выбора. Были уже упомянутые ad18, d8(или d2, если такой есть, не помню уже), i.am.d v200 и fx audio d800. Гонял я их неделю и в итоге выбрал последние два. Я не буду говорить о звуке, о большой разнице, но в этой четверке ad18 оказался слабым звеном, хотя именно из-за дизайна его товарищи себе и оставил (играет в спальне, место не занимает, все довольны). Но в то же время, назвать мусором язык не поворачивается, они играют явно не хуже самых начальных ямах, пионеров итд по $300. Найдя в итоге стерео и другие ресурсы, ввязавшись в эту тему, даже уже купив компоненты в десятки раз дороже, все равно I am.d v200 стоит у меня до сих пор в кабинете и исправно работает по 8 часов в день, вот только сейчас думаю заменить на что-то другое и то потому что заинтересовался наушниками и хочу норм ушной усилитель+пред, а городить пирамиду на столе, где и так места не много, не хочется. Ни одной с ним проблемы не было, все работает, у родителей FX d800 стоит на даче, часто работая на веранде, то есть на открытом воздухе с влажностью, жарой итд, тоже все ок. Есть версии с блютус и с вай-фай. d800 из спальни заменил на nad d3020 (фирменный д класс) и откровенно говоря прироста в 5+ раз, как цена, не услышал.

Добавлю, что к данному i.am.d v200, добрал сразу их же «родной» блок питания. Но не скажу что серьезный прирост в звуке.

Работали и работают эти коробочки с Дали Ц3 и Бивнями 685.

Если что, вам бы на форум ixbt, там сотни страниц на эти вещи.

Усилитель класса d для сабвуфера: рассмотрим подробно

Усилитель для сабвуфера д класса отличается компактностью

Усилитель для сабвуфера класса d, выпущенный впервые еще в 1958году, заметно вырос по популярности в последние годы. Что он собой представляет, какие преимущества имеет перед другими типами звуковых усилителей, и почему именно класс D сегодня представляет особый интерес для акустики?
Сейчас мы рассмотрим усилитель класса д для сабвуфера и сравним с другими видами.

Коротко об усилителях

Их функция заключается в воспроизведении входящих сигналов элементами исходящей цепи, с необходимой (усиленной) громкостью и мощностью, при этом с минимальным рассеиванием энергии и как можно меньшими искажениями.
Итак:

• Хороший звукрусилитель должен отличаться высокими характеристиками в широком диапазоне звуковых частот, в области от 20 и до 20000Гц (у узкополосных динамиков, сабвуферов(см.Плоский сабвуфер активный и секреты его выбора) либо высокочастотной головки, диапазон гораздо меньше)
• Его выходная мощность должна варьироваться в широких пределах — от милливатт в ушных телефонах и до нескольких ватт в телевизорах и персональных компьютерах (ПК), все зависит от назначения и области применения, например, десятки ватт для домашней либо автомобильной стереосистемы
• И наконец, применяемые в концертных залах и театрах сотни ватт и более
• Самым простейшим вариантом реализации усилителя звука — применение транзисторов в так называемом «линейном» режиме, это позволяет получать на выходе повышенное напряжение
• Усиление в таком случае обычно большое (40 дБ как минимум)
• Часто применяется отрицательная обратная связь, из-за того, она значительно улучшает качество усиления, снижает искажения и подавляет помехи, идущие от источника питания

Классификация

По способам работы с входящим сигналом и принципам построения усиливающих каскадов инструкция разделяет усилители мощности на:

• Аналоговые, классов А,В,АВ,Н
• Импульсные и цифровые -класса D

Необходимо сразу отметить, что существует многое множество разных классов, например, C, A+, G, DLD, перечислять можно долго:

• Некоторые, типа C (имеют угол отсечки меньше 90градусов) и поэтому в усилении звуков не применяются
• Другие типы оказались либо слишком сложными, либо очень дорогостоящими, либо невероятно громоздкими, поэтому не применяются повсеместно либо были вытеснены наиболее востребованными и перспективными, не дорогими аналогами

Класс А

В приборах класса А не применяется отсечка сигнала на линейных участках вольтамперных характеристик усилительных элементов:

• Что обеспечивает минимальное количество нелинейных искажений, причем и на малых мощностях и при номинальной мощности
• Цена за эти плюсы, внушительная потребляемая мощность, большие размеры и соответственно, вес
• КПД приборов класса А составляет 15-30процентов, а потребляемая ими мощность не зависит от значения выходной мощности
• А мощность рассеяния максимальная при малых сигналах, излучаемых на выходе

Класс В

Тут усилительные элементы уже работают с отсечкой 90градусов:

• Чтобы обеспечить такой режим работы, применяется двухтактная схема, это когда каждая часть (такт) схемы усиливает свою часть (половинку) сигнала
• Основной проблемой звукоусилителей класса В является наличие искажений, возникающих из-за ступенчатого перехода его от одной полуволны сигнала к другой
• При низком уровне входящего сигнала нелинейные искажения получаются максимальными
• Достоинством класса В считается высокий КПД, теоретически он может достигать 78процентов
• Потребляемая мощность пропорциональна выходящей мощности, то есть при отсутствии на входе сигнала мощность потребляемая равна нулю
• Однако, несмотря на это, найти современных моделей усилителей класс В вам вряд ли удастся

Класс АВ

Класс АВ, как понятно из его названия –попытка объединить все достоинства А и В классов, достичь высокого КПД и наиболее приемлемого уровня для нелинейных искажений:

• Чтобы избавиться при переключении усиливающих элементов от ступенчатого перехода применяется угол отсечки больше 90градусов, рабочая точка берется в самом начале линейного участка в вольтамперной характеристике сигнала
• А при отсутствии на входе сигнала не запираются усилительные элементы, тот есть через них протекает «ток покоя», иногда значительный
• От этого снижается коэффициент полезного действия, возникает незначительная проблема со стабилизацией тока покоя, зато существенно снижаются нелинейные искажения

Класс Н

Этот класс был разработан исключительно для автомобилей, в них имеется ограничение напряжения, которое питает выходные каскады:

• Стимулами к созданию класса Н стало то, что природный звуковой сигнал носит импульсный характер, а средняя мощность его получается гораздо ниже пиковой (максимума)
• Фактически в основе его схемы лежит усилитель AB, который включен по мостовой схеме
• Изюминка изобретения- применение специальной схемы для удвоения напряжения питания
• Основным элементом схемы удвоения является накопительный конденсатор с большой емкостью, который подзаряжается постоянно от источника питания
• А на пиках мощности конденсатор этот подключается схемой управления в цепь, последовательно с главным источником питания
• При этом, напряжение питания выходящего каскада усилителя удваивается на доли секунды, позволяя справиться с передачей пикового сигнала
• Однако такой накопительный конденсатор должен иметь достаточно емкости, иначе хорошая выходная мощность будет обеспечена только в области средних и высоких частот
• Подобная идея с коммутированием напряжения питания применяется в других усилителях мощности, не только для автомобилей
• Звукоусилители с двух либо трехуровневым питанием практически являются импульсными усилителями с аналоговым каналом, который всю лишнюю энергию от импульсов превращает в тепло
• Усилители, которые построены по такой схеме, сочетают в себе и дискретные методы усиления и аналоговые, и конечно же, занимают промежуточное положение среди аналоговых и импульсных усилителей по своему КПД и тепловыделению
• В таком усилителе с целью повышения КПД, и снижения тепловыделения применяется дискретное приближение по уровню напряжения питания самого аналогового канала к выходному напряжению
• Происходит повышение КПД за счет снижения падения напряжения в активном плече, если сравнивать с усилителями, имеющими одноуровневое питание
• Отличительной особенностью подобных звукоусилителей является то, что коммутация их ключевых элементов осуществляется с частотой сигнала
• А фильтрация высших гармоник происходит в аналоговой части усилителя путем превращения в тепло энергии гармоник
• Потери тепла в аналоговой части получаются весьма низкими, их в некоторой мере восполняют потери коммутационные и потери в самом фильтре на высокой тактовой частоте
• Есть оптимальное число ступенек напряжения питания, когда усложнение схемы оправдано повышением КПД и снижением стоимости мощных транзисторов в аналоговой части
• КПД в усилителях класса H получается 83процента при коэффициенте искажений 0,1процент

Класс D

Класс D – считается совершенно отдельным, обособленным классом усилителей, доступно изготовление своими руками:

• Логичнее называть их импульсными, но название «цифровой» уж больно прочно за ними закрепилось

Блок схема усилителя D

• На схеме, фото вверху, видно преобразований происходит с сигналом, для его усиления и очищения помех
• В обычных усилителях выходной каскад на транзисторах, которые обеспечивают нужное мгновенное значение выходящего тока
• В аудиосистемах обычно выходные каскады применяются класса A, B либо AB
• Если сравнивать с выходным каскадом, который работает в D классе, мощность рассеивания в линейных каскадах большая даже в наиболее идеальной реализации
• Усилитель d класса для сабвуфера имеет ощутимое преимущество по многим параметрам вследствие небольшого тепловыделения, заметного уменьшения размеров, стоимости и веса изделий, повышения времени работы устройств
• Поступивший сигнал оцифровывается и попадает в аудио процессор, процессор при помощи широтно-импульсной модуляции управляет полупроводниковыми силовыми ключами
• Могу заметить, что ШИМ-сигнал получают без аналого-цифрового преобразования, при помощи генератора и компаратора, например, пилообразного сигнала
• Этот метод в усилитель для сабвуфера d класса тоже широко применяется, однако благодаря широкому развитию цифровой техники он постепенно отходит Аналого-цифровое преобразование звука обеспечивает множество дополнительных возможностей при обработке звука — от возможности регулировки тембра и уровня громкости, до получения дополнительных цифровых эффектов, например, реверберация, шумоподавление, и многих других
• Сигнал, прошедший через усилитель для сабвуфера класса д, в отличие от других аналоговых усилителей, преобразован в импульсы прямоугольной формы Амплитуда импульсов постоянна, а продолжительность («ширина») изменяется от амплитуды входящего аналогового сигнала
• Частота дискретизации постоянная и может составлять от десятков и до сотен килогерц, все зависит от того, какие требования к усилителю предъявляются
• Импульсы, после их формирования усиливаются с помощью оконечных транзисторов, работающих в ключевом режиме
• Преобразование такого импульсного сигнала снова в аналоговый происходит внутри фильтра низких частот, стоящего на выходе либо в нагрузке

Зависимость КПД усилителей от их выходной мощности

• В целом, усилитель д класса для сабвуфера работает по принципу импульсного блока питания
• Отличие на выходе, после широтно-импульсной модуляции, получается переменное напряжение, а в блоке питания – постоянное
• А по форме оно соответствует входному сигналу
• Чисто теоретически, КПД при этом должен достигать 100процентов, однако, к большому сожалению, сопротивление транзистора хоть и мизерное, но не нулевое
• Поэтому в зависимости от их сопротивления нагрузки, КПД этого типа усилителей может доходить до 90-95%
• Однако при столь хорошей эффективности выходные транзисторы практически не нагреваются, что и позволяет создавать компактные и довольно экономичные эффективные усилители
• Коэффициент искажений, если грамотно построить выходной фильтр может доходить до 0,01%, это превосходный результат
• Искажения увеличиваются при возрастании частоты сигнала, а так же при снижении его частоты дискретизации
• От частоты дискретизации сигнала косвенным образом зависит и выходящая мощность — с возрастанием частоты снижается индуктивность катушек и уменьшаются потери на выходном фильтре
• Как и аналоговые усилители, импульсные тоже разделяются на своеобразные подклассы BD и AD, причем достоинства и недостатки у них тоже похожие
• В классе AD при отсутствии входящего сигнала выходной каскад все равно работает, выдавая разно полярные импульсы с одинаковой длительностью
• С одной стороны это позволяет повысить качество передачи для слабых сигналов, с другой стороны сильно снижает экономичность, плюс порождает технические проблемы
• Например, приходится вести борьбу со сквозным током, возникающим при одновременном переключении транзисторов выходного блока
• Чтобы устранить сквозной ток в выходном каскаде применяется мертвое время, промежуток, между закрыванием первого транзистора и открыванием второго
• На практике находят применение конструкции попроще — усилители BD, в выходном каскаде которых, при отсутствии сигнала генерируются импульсы крайне малой длительности либо вообще пребывает в состоянии покоя
• У этого типа имеют явный основной недостаток – это прямая зависимость уровня искажений от частоты сигнала и частоты дискретизации
• А кроме этого, искажения еще возрастают при малых входящих сигналах
• Звукоусилители класса D, АВ, производятся в интегральном исполнении
• Применяются они в системах трансляции и оповещения, в которых, не уделяют большого внимания достижению особенного качества звука
• Вот в профессиональных системах для звуковоспроизведения класса D применяются как усилители для сабвуферов, именно на низких частотах наше ухо практически не чувствительно к искажениям сигнала
• Раньше от звукоусилителей требовалась надежная работа и неплохое качество звука, а современные модели сегодня дополняются серией сервисных функций, например, компьютерное управление, наличие цифрового входа и программирование встроенного лимитера
• С ростом удешевления цифровых интерфейсов передающих аудио сигналы можно ожидать и рост количества звукоусилителей управляемых дистанционно, и автоматической диагностикой, это, безусловно, расширяет возможности при создании звукоусиливающих комплексов
• С учетом стремительного развития цифровой техники и научной базы сложно предположить, к чему приведет дальнейшее развитие звукоусилителей мощности

Как собрать звукоусилитель любого класса ,лучше посмотреть видео.

Григорий с детства обожал машины, а в подростковом возрасте, когда самостоятельно подключил автомагнитолу в отцовской девятке, понял, что машины будут его работой, хобби, призванием. Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

---

DIY Усилитель класса D. Дабл TPA3116.

Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня обзор самодельного мини усилителя класса Д. Конструкция выходного дня.

Покупал за свои, используя купон 5/10, взятый за поинты.

Дополнительная информация

Доставка пару недель в Брянск.

Упаковка:

Внешний вид платы:


Регулятор громкости совмещен с включением усилителя. Светодиод традиционно голубой.
Входной сигнал подается на 3,5 мм джек или на разъем.

Питание по центру, выход на акустику по краям.

снизу

Под радиатором:


Намазал своей КПТ-8.

Что было еще в комплекте:

Кабель для входного сигнала почему то пожалели.

Я уже писал о плате усилителя на чипе TPA3116D2, и она мне понравилась, так тут два таких чипа.

Технические характеристики:
Модель платы: XH-M190
Микросхема усилителя: TPA3116
Напряжение питания: DC 12-24 В
Выходня мощность: 2 x 100 Вт
Выход на акустику: 4-8 Ом
Частотный диапазон: 14-100000 Гц
С/Ш: 100 дБ

Размеры:
Плата 99х64 мм, крепежные отверстия 3 мм.
Габариты: 114х64х23 мм

Тестовый запуск

прошел успешно. Щелчков при включении/выключении нет, фона и посторонних звуков тоже.

Корпус из cd-rom:
Идею корпуса подсмотрел в обзоре уважаемого Alex_74, но я ее с другого бока проработал:

Задняя панель из оргстекла:

Передняя панель тонкий алюминий:

Гравировка на ЧПУ:

Анодирование в KOH->HNO3

Предварительная компоновка

Блок питания 12В 6-8 А. Покупал тут.


Блок питания изолирован от корпуса стеклотекстолитовой пластиной.
В итоге получается:

Передняя панель просто приклеена на панель cd-rom. Можно было покрасить, но вроде и так не плохо.


Звук:
Усилитель на чипе Tpa3116 понравился мне еще в первый заход, данная плата так же не разочаровала. Динамический диапазон широкий. Мощности тоже хватает.

О проблемах с измерениями параметров я уже писал тут.

Получается такой простой, можно сказать народный, усилитель. Конструкция простая, повторить ее недолго, буквально за выходной.

Спасибо за внимание! Всем удачных конструкций! Задавайте вопросы в комментариях.

⚡️Усилитель звука класса D 1250Вт

Усилители на микросхемах

На чтение 2 мин. Опубликовано 26.05.2015 Обновлено 07.07.2019

По моему мнению, усилитель D класса является оптимальным решением по соотношению стоимости и мощности устройства. Высокое КПД сочетается с невысоким тепловыделением радиатора, что позволяет экономить на использовании больших по своему размеру радиаторов. Собрав такой усилитель мощности, я не беспокоюсь по поводу перегрева и при этом получаю максимально высокое качество звучания.

Предлагаю вам достаточно простую схему усилителя звука, по которой я собрал усилитель D класса. Этот усилитель звука обеспечивает максимально качественный звук и при этом используемые компоненты отличаются минимальной стоимостью. Возможно изготовление усилителя с мощностью в 25-1250 Вт. В приведенной таблице вы можете увидеть какие необходимы радиодетали для конкретного показателя мощности.

Усилитель на любую мощность от 25 до 1250 Вт

Печатная и монтажная плата усилителя звука класса D 1250Вт

Выходная мощность Рвых УМЗЧ рассчитывается по таблице

При наладке УМЗЧ приходится многократно измерять его выходную мощность, особенно если хочется “выжать” из схемы максимум. Выходная мощность Рвых рассчитывается по формуле, связывающей выходное напряжение усилителя Uвыx и сопротивление нагрузки Rн.

Учитывая квадратичную зависимость Рвых от Uвых, приходится постоянно держать под рукой калькулятор. Для упрощения расчетов можно воспользоваться таблицей. В столбцах указаны значения Rн, в строках — значения Uвых, а соответствующие им значения Рвых — в последнем столбце. Для вычислений необходимо мощность брать в ваттах, сопротивление — в омах, напряжение — в вольтах.

 

⚡️Что такое усилитель класса d

На чтение 5 мин. Опубликовано 18.05.2015 Обновлено 07.07.2019

Разработка последних стала возможной благодаря появлению современных мощных полупроводниковых приборов В англоязычной литературе такие усилители называются PWM- усилителями (Pulse Width Modulation — модуляция широты импульса), в русскоязычной — усилителями с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией). При использовании модуляции ширины импульса можно создать усилители с очень большим коэффициентом полезного действия (свыше 80%). Такие усилители необходимы, в частности, для автомобилей, где при выходной мощности в сотни ватт требуются небольшие габариты и малое потребление тока DT аккумуляторов.

[info]Обязательным условием жизни современного человека является качественное освещение городов, парковок, автомобильных магистралей, вокзалов и стадионов. Металлические опорные столбы, которые обеспечивают освещение территорий, отличаются функциональностью, эстетичностью и долговечностью. Кронштейны  для светильников позволяют обеспечить качественную фиксацию непосредственно осветительных элементов к опорам освещения и другим вертикальным поверхностям. [/info]

Принцип действия таких усилителей состоит в том, что с помощью генератора формируется серия импульсов постоянной частоты, которые модулируются входным сигналом так, чтобы их длительность (ширина) зависела от мгновенной амплитуды входного сигнала. Этот сигнал усиливается и пропускается через фильтр низких частот, после которого вновь получается входной сигнал, но уже существенно более мощный.

Выходной каскад усилителей работает в ключевом режиме Силовые транзисторы (в настоящее время, как правило, мощные MOSFET-транзисторы) или закрыты, или находятся в проводящем состоянии. В закрытом состоянии мощность на них практически не рассеивается, в проводящем состоянии благодаря исключительно низкому сопротивлению открытых каналов рассеиваемая мощность также мала.

Потери на силовых ключах возникают только при переключениях из одного состояния в другое (понятно, что время переключения не может быть нулевым). Современные полевые транзисторы в этом отношении достаточно быстродействующие, поэтому нагрев оконечных транзисторов будет совсем незначительным по сравнению с традиционными усилителями классов А или В.

Схема ключевого усилителя представлена на рис.1. Необходимые для модуляции треугольные импульсы вырабатываются функциональным генератором NE566. Времязадающими элементами генератора служат R10, Р2 и Сб. Импульсы треугольной формы подаются на входы элемента G1. Конденсатор С7 служит для устранения возникающих помех. Делитель напряжения R8-R9 устанавливает фиксированную амплитуду выходных импульсов.

Входной сигнал складывается с треугольными импульсами на входе элемента G1, который используется в качестве компаратора. Остальные три элемента этой микросхемы, соединенные для увеличения выходного тока параллельно, «раскачивают» оптроны ОС1 и ОС2.

Порог срабатывания компаратора устанавливается настройкой Р1. Оптроны ОС1 и ОС2, с помощью которых в данной схеме осуществляется гальваническая развязка входных (низковольтных) и выходных (высоковольтных) каскадов, должны быть достаточно быстодействующими (с временами переключения порядка 0,2 … 0,4 мс).

Для работы полевых транзисторов без искажений на высоких частотах требуются весьма мощные коммутирующие импульсы с крутыми фронтами. Это условие обеспечивают элементы микросхем IC1 (G5…G8) и IC2 (G9…G12), которые, как и элементы IC3 (G2…G4), соединены для увеличения выходного тока параллельно. Выходной фильтр низких частот L-C14 препятствует попаданию на нагрузку сигнала коммутации частотой около 30 кГц. На громкоговорителе остаточный высокочастотный сигнал после фильтрации имеет величину порядка 1 В, и громкоговорители выдерживают его без повреждения.

Схема блока питания не приводится, поскольку она никаких особенностей не имеет. Максимальный входной сигнал усилителя — 300 мВ при входном импедансе около 5 кОм, номинальный импеданс нагрузки 8…16 Ом. Усилитель размещен на печатной плате размерами 84×86 мм, чертеж платы представлен на рис.2, а схема размещения деталей на ней на рис.3. При монтаже на плате сначала устанавливаются пассивные элементы, начиная с самых малогабаритных.

При пайке активных элементов особое внимание обращаем на соответствующие технические предписания (защиту от статического электричества, перегрева и т.д.). Полевые транзисторы устанавпиваются на общий радиатор с использованием слюдяных прокладок. Перед сборкой их соприкасающиеся поверхности рекомендуется покрыть силиконово-жировой смазкой. Размеры радиатора составляют 50×100 мм, его желательно покрасить в черный цвет.

Для наладки усилителя необходимы вольтметр (мультиметр) и осциллограф. После сборки тщательно проверяем все пайки и дорожки печатной платы нет пи где замыканий или разрывов. Если все в порядке, подключаем усилитель класса d к блоку питания. При первом включении нужно непременно позаботиться об ограничении тока в блоке питания!

Мой опыт показывает, что очень простым и хорошим решением этой задачи является подключение лампочки накаливания мощностью40…60 Вт последовательно с первичной обмоткой сетевого трансформатора. Проверяем напряжения на клеммах усилителя. Если все в порядке, лампочку отключаем.

Устанавливаем движок потенциометра Р1 в среднее положение, вход усилителя класса d заземляем. После подачи питания проверяем осциллографом треугольный сигнал на выходе ИС4 (вывод 4), частоту которого с помощью Р2 нужно установить порядка 30 кГц (эта частота не критична). Проверяем управляющий сигнал на затворах Т1 и Т2. Максимальная величина сигнала должна составлять 12 В.

Если таковой есть, то на выходе мы должны получить симметричный треугольный сигнал максимальной величины 60 В. Точную симметрию регулируем при помощи Р1. напряжение после фильтра на эквиваленте нагрузки должно быть минимально возможной величины (близким к нулю). Важным элементом усилителя класса d является выходной фильтр. В качестве L можно использовать катушку индуктивностью 250…300 мГн без сердечника. В принципе, величина индуктивности не критична.

Конденсатор С14 требуется хорошего качества. В целях экономии места катушка и конденсатор фильтра на печатную плату не устанавливаются. Громкоговоритель подключается к усилителю проводами сечением не менее 1,5 мм². Входной сигнал подается коротким заземленным кабелем. Желаю успехов! Читайте также статьи: усилитель своими руками

Аудио

Аудио

Решения аудиоусилителей класса D от Diodes Incorporated увеличивают срок службы батареи, уменьшают потери мощности в виде тепла и минимизируют площадь печатной платы (PCB), обеспечивая при этом высокое качество звука. Наша безфильтровая архитектура модуляции с низким уровнем электромагнитных помех (EMI) обеспечивает эффективность до 92% и устраняет необходимость в больших индукторах и конденсаторах между усилителем и динамиком, которые требуются для традиционных усилителей класса D.

Технологические особенности конструкции усилителей Diodes класса D включают:

• • Регулятор громкости, встроенный усилитель для наушников
  • Низкие электромагнитные помехи, защита от клиппирования и ограничение мощности
  • Защита от короткого замыкания, пониженного / повышенного напряжения и тепловая защита

Продукция включает в себя драйверы моно и стерео динамиков с максимальной выходной мощностью от 1,5 Вт до 32 Вт и типичным общим гармоническим искажением плюс шум (THD + N) менее 0.5%. Функции включают в себя регулировку громкости постоянного тока, фиксированные или выбираемые настройки усиления, встроенный усилитель для наушников, режим отключения микропитания, схему защиты от щелчка и щелчка и ограничение выходной мощности для защиты от насыщения.

Можно найти идеальный аналоговый усилитель для наушников, соответствующий вашим потребностям. Наушники Diodes могут выдавать максимум 25 мВт при стерео 16 или 32 Ом, устраняя большие выходные конденсаторы блокировки постоянного тока.

Узнайте о 3-ваттном стереофоническом усилителе Diodes класса D и о том, как он управляет мостовыми стереодинамиками или наушниками класса AB.

Номер детали	Название продукта	VDD (В)	IQ (мА)	КПД %	Громкость / усиление	Усиление дБ (мин.)	Усиление дБ (макс.)	SNR (дБ)	PSRR (дБ)	Описание упаковки
PAM8404	Стереоусилитель звука класса D без фильтра, 3 Вт	2.От 5 до 5,5	11	89	Четыре Настройки	6	24	87	-63	U-QFN4040-20
PAM8908	25 мВт стерео усилитель для наушников True Cap Free Stereo Audio	от 2,5 до 5,5	4	–	Четыре Настройки	-6	6	100	-75	U-QFN3030-16

{{/если}} Мин. {{else}}

НЕТ

{{/если}}

{{#each facet_items}} {{> ‘шаблон-диапазон-слайдер’}} {{/ each}}

{{/если}} {{#if facets [i].FieldType! = ‘Диапазон’ &&! Facet_items.isBoolean && (facet_items.length || unified_facet_results || facets [i] .Title == ‘Part Number’)}}

{{{Facets [i] .DisplayTitle? facets [i] .DisplayTitle: facets [i] .Title}}} {{#if facet_items [0] .chosen}} {{#each facet_items: j}} : {{значение}} {{/ each}} {{/если}}

{{#if facets [i].FieldType == ‘SearchFilter’}} {{else}} {{#each facet_items: j}} {{> facet_item}} {{/ each}} {{/если}}

{{/если}} {{/ each}} {{#if have_boolean_facet ()}}

{{#each facet_lists}} {{#if this.facet_items.isBoolean}} {{#each facet_items}} {{> facet_item}} {{/ each}} {{/если}} {{/ each}}

{{/если}}

PPT — Аудиоусилитель класса D Презентация PowerPoint, скачать бесплатно

Аудиоусилитель класса D

Описание системы • Преобразование аналогового сигнала в PCM • Преобразование PCM в PWM TMS 320F2808 Выходной каскад (усилитель) Входной каскад Источник звука • Схема защиты • Буфер • Сдвиг постоянного тока • Коммутационный усилитель • H-мост • LPF

Система Источник питания 12 В Источник звука 5 В Источник питания

Аналого-цифровое преобразование (PCM)

Преобразование PCM в рабочий цикл Значение PCM Сдвиг рабочего цикла вправо 2 бита

PCM  PWM

PWM  Аналоговый

H-Bridge Power Topology

9000 Функции входной цепи TMS 320F2808 АЦП Источник звука входного каскада • Аналоговый сигнал • Масштабирование амплитуды • Остаточный ток постоянного тока овал • Пределы входного напряжения DSP 0–3.3 В • Схема защиты • Буфер • Сдвиг постоянного тока • VRef для АЦП • Аналогово-цифровое преобразование (PCM): • 0-3,3 В  0-0xFFF

Входная цепь Удаление постоянного тока + буфер объема + HPF К eZDSP- F2808 P8-1 GND опорного напряжения 1,5 в Защита от замыкания DC / DC преобразователь

Выходная цепь Функциональность • PCM для преобразования ШИМ • ШИМ-управления ТМС 320F2808 процессора EPWM выходной каскад (усилитель) • Переключение • усилитель Н-мост • ФНЧ

Выходная цепь Защита инверсионных драйверов PWM Полный мост LPF EPWM1 ​​- P8 / 9 EPWM2 — P8 / 11

Источник напряжения 5 В eZDSP-F2808 Выходной каскад входного каскада (усилитель) 3.3 В постоянного / постоянного тока 12 В

Требования к программному обеспечению Входной сигнал в диапазоне 0 ~ 3 В Последовательность преобразования начинается с сигнала SOC. Захват последовательности преобразования 8 раз для одного и того же канала с конфигурацией: Тактовая частота АЦП = 12,5 МГц Ширина S / H = 320 нс Создает прерывание в конце каждой последовательности преобразования В начале: Инициализация: частота процессора до 100 МГц GPIO для вывода ШИМ Вектор прерывания (PIE) Настройка АЦП, ШИМ Включение калибровки HRPWM Выберите прерывание на АЦП EOS Выполните бесконечный цикл калибровки HRPWM ШИМ ширина составляет 1000 тактов ЦП = 10us = 100 кГц Таймер в режиме восходящего счета Значения, загружаемые в конце рабочего цикла ШИМ, когда таймер равен нулю, ШИМ неактивен, когда таймер = значение, ШИМ активен Генерировать сигнал SOC в начале каждого рабочего цикла ШИМ ( Таймер равен нулю) TMS 320F2808 АЦП CPU EPWM

Временная диаграмма Таймер = ноль CMPA Upda ted Timer = CMPA PWM Timer PWM1A = Set PWM1A = Clear PWM1A Out PWM2A = Clear PWM2A = Set PWM2A Out Timer = ноль генерируется SOC Преобразование аналогового сигнала в PCM SOC Импульсный АЦП генерирует прерывание Преобразование PCM в конце последовательности tp Прерывание Преобразование PWM CMPA Прерывание Преобразование PWM CMPA Прерывание ISR exit CMPA обновлено

Модель Simulink

Модуль аппаратного прерывания

Конфигурация АЦП

Настройки ePWM1 (1) • Параметры временной базы: • 97.6 кГц (100 МГц / 1024) • с таймером режима восходящего счета

Настройки ePWM1 (2) • Квалификатор действия: • ШИМ = «1» для TBCTR = 0 • ШИМ = «0» для TBCTR = CMPA • Counter-Compare: • Загрузить новое значение в начале рабочего цикла PWM

Настройки ePWM1 (3) • Событие-триггер: • Генерация SOC для модуля A в начале рабочего цикла PWM

Настройки ePWM2 (1) • Настройки временной развертки: • Частота ШИМ 97,6 кГц (100 МГц / 1024) • с таймером режима восходящего счета

Настройки ePWM2 (2) • Классификатор действия: • ШИМ = «0» для TBCTR = 0 • PWM = «1» для TBCTR = CMPA • Counter-Compare: • Загрузить новое значение в начале рабочего цикла PWM

Настройки ePWM2 (3) • Событие-триггер не активировано

Усилители класса D

Усилители класса D

Elliott Sound Products

Усилители класса D

© 2005, Серхио Санчес Морено (ColdAmp)
Отредактированный и дополнительный текст Род Эллиотт (ESP)
Страница создана 4 июня 2005 г.

верхний

---

Указатель статей
Основной указатель

---

Содержание

---

1 — Введение

Совершенно новая технология для усиления звука развивалась в течение последних 15-20 лет, которая имеет явное преимущество перед широко распространенными в настоящее время топологиями класса A и AB.Речь идет о так называемом «классе D». Это преимущество в основном заключается в его высокой энергоэффективности. На рис. 1 показаны типичные кривые КПД в зависимости от выходной мощности для конструкций класса B и класса D.

Теоретическая максимальная эффективность конструкций класса D составляет 100%, а на практике можно достичь более 90%. Обратите внимание, что эта эффективность высока от очень умеренных уровней мощности до клиппирования, тогда как максимум 78% в классе B достигается в начале клиппирования. При практическом использовании с музыкальными сигналами достигается КПД менее 50%.Высокая энергоэффективность ШИМ-усилителя означает меньшее энергопотребление при заданной выходной мощности, но, что более важно, резко снижает требования к радиатору. Любой, кто строил или видел мощный аудиоусилитель, заметил, что для того, чтобы электроника оставалась относительно прохладной, необходимы большие алюминиевые профили. Нагрузка на силовой трансформатор также значительно снижается, что позволяет использовать трансформатор меньшего размера для той же выходной мощности.

Рисунок 1 — Сравнение эффективности для классов D и AB

Эти радиаторы составляют важную часть веса, стоимости и размеров оборудования.По мере того, как мы углубимся в детали этой топологии, мы заметим, что хорошо работающий (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель класса D должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, требуя очень высокой скорости мощности и сигнала. устройств. Это исторически относилось к этому классу, где не требуется полная полоса пропускания и допустимы более высокие уровни искажений, то есть сабвуфер и промышленное использование.

Однако это изменилось, и благодаря современным более быстрым переключателям, знаниям и использованию передовых методов обратной связи стало возможным проектировать усилители класса D с очень хорошими характеристиками, охватывающими весь звуковой диапазон.Они обладают высокими уровнями мощности, небольшими размерами и низкими искажениями, сравнимыми с таковыми у хороших конструкций класса AB. (С этого момента я буду называть топологии класса A и AB «классическими»).

Полный модуль усилителя полного диапазона класса D мощностью 400 Вт (любезно предоставлен ColdAmp)

С точки зрения DIY, класс D довольно неудачный. Из-за чрезвычайно высокой скорости переключения важна компактная компоновка, а SMD (устройства для поверхностного монтажа) необходимы для получения необходимой производительности.Паразитная емкость и индуктивность обычных компонентов со сквозным отверстием таковы, что практически невозможно сделать усилитель ШИМ, используя эти детали. Действительно, подавляющее большинство всех микросхем, используемых для этого приложения, доступны только для и для поверхностного монтажа, и если взглянуть на любой ШИМ-усилитель, можно увидеть, что обычные компоненты практически не используются где-либо на плате. Поскольку детали SMD очень сложно собрать вручную, а конструкция печатной платы настолько важна для конечной производительности, DIY-версии усилителей PWM действительно очень редки (я не знаю ни одного).

---

2 — Как работает класс D

В классических усилителях по крайней мере одно из выходных устройств (пусть это будут биполярные транзисторы, полевые МОП-транзисторы или вентили) в любой момент времени является проводящим. Пока нет проблем, но они также несут заданный ток при падении напряжения между коллектор-эмиттер / сток-исток и т. Д. Поскольку P = V * I, они рассеивают мощность, и даже если нет выхода, небольшой Через транзисторы должен проходить ток, чтобы избежать перекрестных искажений, поэтому присутствует некоторая диссипация.По мере увеличения выходного напряжения для данных шин питания падение напряжения на транзисторах будет падать, но ток увеличивается. При насыщении (клиппинге) VCE или VDS будут низкими, но ток достаточно высоким (Vout / Rspk). И наоборот, при низких уровнях мощности ток небольшой, но падение напряжения велико. Это приводит к кривой рассеяния мощности, которая не зависит от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное рассеивание (нулевой процент эффективности) и точка, в которой достигается максимальная эффективность… около 78% для чистых конструкций класса B, 25% или менее для класса A.

Class-D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходных устройств между двумя состояниями, а именно «включено» и «выключено». Прежде чем обсуждать конкретные детали топологии, мы можем сказать, что в состоянии «включено» через устройство протекает заданное количество тока, в то время как теоретически напряжение от стока к истоку отсутствует (да, почти каждый класс D будет использовать полевые МОП-транзисторы) , следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии напряжение будет соответствовать общему напряжению шины питания, поскольку оно ведет себя как разомкнутая цепь, и ток не будет течь (это очень близко к реальности).

Но как наш любимый звуковой сигнал может быть представлен ужасной прямоугольной волной только с двумя возможными уровнями? Ну, на самом деле он модулирует некоторые характеристики этого прямоугольного сигнала, так что информация есть. Теперь нам «только» нужно понять, как выполняется модуляция и как восстановить из нее усиленный звуковой сигнал. Наиболее распространенный метод модуляции, используемый в классе D, называется ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — создается прямоугольная волна с фиксированной частотой, , но , время нахождения в «высоком» и «низком» состояниях не всегда 50%, но меняется в зависимости от входящего сигнала.Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, состояние «высокий» будет присутствовать дольше, чем состояние «низкий», и наоборот, когда сигнал «низкий». Если мы посчитаем, среднее значение сигнала за один цикл будет просто …

V _{средний} = V _{высокий} * D + V _низкий * (1-D), где D = T _на / T, (рабочий цикл)

T — период сигнала, то есть 1 / Fsw (частота переключения).

Например, среднее значение 50% рабочего цикла (оба состояния присутствуют в течение одного и того же промежутка времени) сигнала от + 50 В до -50 В составляет: 50 * 0.5 + (- 50) * 0,5 = 0 В. Фактически, выходной сигнал холостого хода (отсутствие сигнала) усилителя класса D представляет собой прямоугольный сигнал с коэффициентом заполнения 50%, переключающийся с положительной шины на отрицательную.

Если мы модулируем вход до максимума, у нас будет почти 100% рабочий цикл. Положим 99%: Vmean = 50 * 0,99 + (-50) * 0,01 = 49V. И наоборот, если сигнал самый низкий, нам нужно около 0% (давайте использовать 1%), поэтому Vmean = -49V.

PWM обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с треугольной формой волны, как показано на рисунке 2.Треугольная волна определяет как входную амплитуду для полной модуляции, так и частоту переключения

.

Рисунок 2 — Базовое поколение ШИМ

На рисунке 3 показан типичный сигнал ШИМ, модулированный синусоидой. Обратите внимание, что он разработан таким образом, что сигналы от -1 до 1 В будут производить рабочий цикл от 0% до 100%, 50% соответствуют входному 0 В. «Цифровой» выход использует стандартные логические уровни, где 0 В — это логический «0», а 5 В — это логическая «1». Из-за такой оцифровки сигнала усилители с ШИМ иногда ошибочно называют цифровыми усилителями.Фактически, весь процесс гораздо больше аналоговый, чем цифровой.

Рисунок 3 — Аспект модулированного сигнала ШИМ

Обратите внимание, что для правильного представления сигнала, частота опорного сигнала ШИМ должна быть значительно выше, чем частота максимального входного сигнала. Следуя теореме Найквиста, нам нужна как минимум вдвое большая частота, но в конструкциях с низким уровнем искажений используются более высокие коэффициенты (обычно от 5 до 50). Затем сигнал ШИМ должен управлять схемой преобразования мощности, чтобы формировался мощный ШИМ-сигнал, переключаясь с шин питания с положительной на отрицательную (при условии использования полумостовой топологии).

Спектр сигнала ШИМ имеет низкочастотную составляющую, которая является копией спектра входных сигналов, но также содержит компоненты на частоте переключения (и ее гармоники), которые следует удалить, чтобы восстановить исходный модулирующий сигнал. Для этого необходим мощный фильтр нижних частот. Обычно используется пассивный LC-фильтр, потому что он (почти) без потерь и имеет небольшое рассеяние или совсем его нет. Хотя всегда должны быть какие-то потери, на практике они минимальны.

---

3 — Топологии

В основном существует две топологии класса D — полумостовая (используются 2 устройства вывода) и полная мостовая (4 устройства вывода). У каждого есть свои преимущества. Например, полумост, очевидно, проще и имеет большую гибкость, поскольку полумостовой усилитель может быть соединен мостом, как в классических топологиях. Если он неправильно спроектирован и управляется, он может страдать от явления «накачки шины» (передачи тока в источник питания, что может привести к увеличению его напряжения, создавая ситуации, опасные для усилителя, источника питания и динамика).

Для полного моста требуются выходные устройства, рассчитанные на половину напряжения, чем у полумостового усилителя той же мощности, но это более сложно. На рисунках 5a и 5b концептуально показаны обе топологии. Очевидно, что многие компоненты, такие как разделительные конденсаторы и т. Д., Не показаны.

Рисунок 4a — Топология полумоста класса D

Рисунок 4b — Топология полного моста класса D

Обратите внимание, что для полного моста ШИМ-усилителя требуется только одна шина питания — биполярные источники питания не требуются, но их все же можно использовать.Когда используется один источник питания, каждый провод динамика будет иметь напряжение ½ Vdd. Поскольку он подключен по-разному, динамик не видит постоянного тока, если все хорошо сбалансировано. Однако это может (и вызывает) проблемы, если допускается замыкание провода динамика на корпус!

Фильтр может быть реализован с помощью одного конденсатора на громкоговорителе, пары колпачков на землю или, в некоторых случаях, обоих (как показано пунктирными линиями, соединяющими колпачки).

В остальной части документа мы сконцентрируемся на топологиях полумоста, хотя подавляющее большинство идей применимо и к проектам полного моста.

---

Конструкция полумоста

Полумостовая схема, изображенная на рисунке 4а, работает следующим образом …

Когда Q1 включен (соответствует положительной части цикла ШИМ), узел переключения (вход индуктивности) подключается к Vdd, и через него начинает увеличиваться ток. Основной диод Q2 имеет обратное смещение. Когда Q2 включен (отрицательная часть цикла ШИМ), внутренний диод Q1 имеет обратное смещение, и ток через Lf начинает уменьшаться. Форма волны тока в Lf имеет треугольную форму.

Очевидно, что только один из транзисторов должен быть включен в любой момент. Если по какой-либо причине оба устройства модернизируются одновременно, между рельсами произойдет эффективное короткое замыкание, что приведет к сильному току и разрушению полевых МОП-транзисторов. Чтобы предотвратить это, необходимо ввести некоторое «мертвое время» (небольшой период, когда оба полевых МОП-транзистора выключены).

Lf вместе с Cf и самим динамиком образуют фильтр нижних частот, который восстанавливает аудиосигнал путем усреднения напряжения коммутационного узла.

Синхронизация имеет решающее значение во всем этом процессе: любая ошибка, такая как задержки или время нарастания полевых МОП-транзисторов, в конечном итоге повлияет на эффективность и качество звука. Поэтому все задействованные компоненты должны быть высокоскоростными. Мертвое время также влияет на производительность, и его необходимо минимизировать. В то же время мертвое время должно быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что ни при каких обстоятельствах оба полевых МОП-транзистора не будут включены одновременно. Типичные значения от 5 до 100 нс.

Мертвое время является критическим фактором для характеристик искажения.Для минимальных искажений мертвое время должно быть как можно меньше, но это может привести к возникновению «сквозных» токов, когда оба полевых МОП-транзистора включены одновременно. Это не только значительно увеличивает искажения и рассеяние, но и быстро разрушает выходные устройства. Если мертвое время слишком велико, реакция выходного каскада больше не соответствует истинному сигналу ШИМ, генерируемому модулятором, поэтому искажения снова увеличиваются. В этом случае на диссипацию не влияет.

---

4 — Привод ворот

Для обеспечения быстрого нарастания / спада полевых МОП-транзисторов драйвер затвора должен обеспечивать достаточно высокий ток для зарядки и разрядки емкости затвора во время интервала переключения.Обычно требуется время нарастания / спада от 20 до 50 нс, что требует тока затвора более 1 А.

Обратите внимание, что на показанных схемах используются оба N-канальных полевых МОП-транзистора. Хотя в некоторых конструкциях используются дополнительные устройства с N- и P-каналами, это является субоптимальным IMO из-за сложности получения подходящих P-устройств и согласованных пар. Так что сконцентрируемся только на N-канальных полумостах. Обратите внимание, что для включения полевого МОП-транзистора между его затвором и истоком должно присутствовать напряжение выше Vth. Источник нижнего полевого МОП-транзистора подключен к -Vss, поэтому его схема управления должна быть отнесена к этому узлу, а не к GND.

Однако управлять верхним полевым МОП-транзистором сложнее, поскольку его источник постоянно находится между + Vdd и -Vss (минус падения из-за сопротивления). Однако его драйвер также должен быть плавающим на коммутационном узле и, более того, для включенного состояния его напряжение должно быть на несколько вольт выше + Vdd, чтобы при включении Q1 создавалось положительное напряжение Vgs. Это также подразумевает смещение напряжения, чтобы схема модулятора могла правильно взаимодействовать с драйвером.

Это одна из основных трудностей конструкции класса D: привод ворот.Для решения вопроса используется несколько подходов …

• Привод затвора трансформатора: используется в полумостовых источниках питания, где рабочий цикл не сильно меняется. Однако в аудиоусилителях рабочий цикл составляет от 0% до 100%, поэтому этот метод создает проблему, поскольку сигнал связан по переменному току. Требуется схема восстановления постоянного тока (не показана).
• Управление дискретным затвором: в некоторых конструкциях используются транзисторы для переключения уровня и управления полевым МОП-транзистором. Опять же, есть проблема: нам нужно напряжение выше + Vdd.
• Интегрированные драйверы: на рынке существует ряд драйверов MOSFET, оптимизированных для высокой скорости, которые можно использовать. Опять же, необходимо напряжение выше Vdd, а также сдвиг уровня.

На Рисунке 5 (a, b и c) показаны некоторые возможности для управления воротами с высокой стороны …

Рисунок 5а — Трансформаторная связь

Рисунок 5b — Дискретный драйвер BJT

Рисунок 5c — Драйвер IC

Обратите внимание, что в схемах на рисунках 5b и 5c вход ШИМ обозначается как -Vss, поэтому может потребоваться предыдущий сдвиг уровня выхода компаратора, который обычно будет обозначаться как GND.Рис. 5a потребует смещения уровня только инвертированного ШИМ, так как вход трансформатора может быть привязан к GND, как показано. Многие из доступных сейчас микросхем драйверов имеют встроенные переключатели уровня, которые оптимизированы для скорости. Помните, что любая задержка , вносимая в форму волны переключения, может вызвать искажение или одновременную проводимость полевого МОП-транзистора.

У нас есть еще одна проблема, которую необходимо решить … получение 12 В выше VS (коммутационный узел). Мы можем добавить еще один блок питания, изолированный от основного, который (-) подключен к VS.Это решение может оказаться непрактичным, поэтому обычно используются другие методы. Наиболее распространена схема бутстрапа. В методе начальной загрузки используется накачка заряда, состоящая из быстродействующего диода и конденсатора. На выходе усилителя генерируются импульсы переключения, необходимые для зарядки конденсатора.

Рис.6 Конденсатор начальной загрузки обеспечивает напряжение питания драйвера высокой стороны

Таким образом, единственный необходимый вспомогательный источник питания — это 12 В относительно -Vss, который используется для питания как драйвера низкого напряжения, так и насоса заряда для драйвера высокого уровня.Поскольку средний ток от этого источника питания невелик (хотя во время событий переключения бывают сильные пики заряда, они длятся всего 20-50 нс, дважды за цикл, поэтому среднее значение довольно низкое, в диапазоне 50-80 мА), это питание легко получить от отрицательной шины с помощью простого регулятора 12 В (конечно, обращая внимание на максимальное входное напряжение).

---

5 — Смещение уровня

Как видно из предыдущих рисунков, для возбуждения драйвера MOSFET сигнал ШИМ должен быть отнесен к -Vss.Итак, поскольку модулятор обычно работает от +/- 5 до +/- 12 В, обычно требуется функция переключения уровня. Можно выбрать сдвиг уровня сигнала ШИМ и затем сгенерировать инвертированную версию или сгенерировать оба выхода и инвертировать их оба. Это зависит, например, от типа используемого компаратора (решение принимается при наличии дополнительных выходов).

Базовая функция сдвига уровня может выполняться с помощью одно- или двухтранзисторной схемы, подобной схеме, изображенной на рисунке 6 (перед драйвером на стороне высокого напряжения).Хотя это может работать на низких частотах, важно смоделировать поведение компаратора и устройства сдвига уровня, поскольку они могут привести к значительным задержкам и ошибкам синхронизации, если они неправильно спроектированы.

Справедливо сказать, что переключатель уровня является одной из наиболее важных частей схемы, о чем свидетельствует большое количество конкурирующих микросхем, разработанных для этой работы. У каждого будут свои преимущества и недостатки, но во всех случаях сложность намного выше, чем можно предположить из упрощенных диаграмм.

---

6 — Конструкция выходного фильтра

Выходной фильтр — одна из наиболее важных частей схемы, поскольку от него зависит общая эффективность, надежность и качество звука. Как указывалось ранее, LC-фильтр является распространенным подходом, поскольку он (теоретически) без потерь и имеет крутизну -40 дБ / декаду, что позволяет разумно отклонять несущую, если параметры фильтра и сама частота переключения правильно спроектированы. .

Первое, что нужно сделать, это спроектировать передаточную функцию для фильтра.Обычно выбирается частотная характеристика Баттерворта или аналогичная, с частотой среза немного выше звукового диапазона (30-60 кГц). Имейте в виду, что одним из конструктивных параметров является оконечная нагрузка, то есть импеданс динамика. Обычно используется типичный резистор на 4 или 8 Ом, но это приведет к вариациям измеряемой частотной характеристики в присутствии разных динамиков. Это должно быть компенсировано за счет правильного проектирования сети обратной связи. Некоторые производители просто оставляют это так, поэтому отклик сильно зависит от нагрузки.Конечно, нежелательный предмет.

Расчет можно выполнить математически или просто использовать одну из множества доступных программ, которые помогают в разработке ЖК-фильтров. После этого всегда полезно моделирование. На рисунке 7 показан типичный LC-фильтр для усилителей класса D и его типичная частотная характеристика.

Рисунок 7 — Частотная характеристика типичного LC 2 класса D ^nd Фильтр заказа

Этот простой фильтр имеет частоту среза -3 дБ, равную 39 кГц (с нагрузкой 4 Ом), и подавляет несущую до 31 дБ на частоте 300 кГц.Например, если наши шины питания имеют напряжение +/- 50 В (достаточно примерно для 275 Вт при 4 Ом), остаточная пульсация будет иметь амплитуду около 1 В среднеквадратического значения.

Эта пульсация, очевидно, неслышна, и среднеквадратичное значение 1 В рассеивается только около 200 мВт в типичном твитере (вряд ли проблема, тем более что импеданс твитера будет намного выше 8 Ом на частоте 300 кГц). Однако следует соблюдать осторожность, так как провода динамика могут стать антенной и повлиять на другое оборудование. Фактически, хотя пара вольт среднеквадратичной пульсации может показаться достаточно низкой для безопасной работы ваших динамиков, электромагнитные помехи могут быть проблемой, поэтому чем меньше у вас уровень несущей, тем лучше.Для дальнейшего подавления используются фильтры более высокого порядка (с потенциальным недостатком увеличения фазового сдвига в звуковой полосе), хотя есть и другие умные способы сделать это, например, очень избирательные заградительные фильтры или режекторные фильтры, настроенные на несущую частоту (если он фиксирован, и это происходит только в синхронных проектах, как описано).

Хорошо спроектированные усилители класса D имеют фильтр более высокого порядка и / или специальные секции подавления несущей, чтобы избежать проблем с EMI. Как видно на рисунке 8, отклик зависит от нагрузки, и фактически нагрузка является частью фильтра.Это одна из проблем, которую необходимо решить в конструкциях класса D. Не помогает то, что громкоговоритель представляет полностью другой импеданс усилителю, чем тестовая нагрузка, а многие усилители ШИМ имеют фильтры, которые не подходят (и никогда не могут быть) правильными для всех практических нагрузок громкоговорителей. Опять же, только несколько хороших усилителей класса D используют методы обратной связи, которые включают выходной фильтр для компенсации изменений импеданса и имеют почти независимую от нагрузки частотную характеристику, а также для уменьшения искажений, вызванных нелинейностями в фильтре.Хотя считается, что пассивные компоненты не имеют искажений, это не относится к сердечникам из феррита или порошкового железа, которые используются для фильтров. Эти компоненты наверняка вносят искажения.

Теперь, компоненты фильтра …
Выходной индуктор должен выдерживать весь ток нагрузки, а также иметь накопительную способность, как в любом неизолированном переключающем преобразователе (конструкция полумоста класса D фактически аналогична понижающему преобразователю. , его опорным напряжением является звуковой сигнал).

Идеальный индуктор (с точки зрения линейности) — это индуктор с воздушным сердечником, но размер и количество витков, требуемых для типичной работы класса D, обычно делают его непрактичным, поэтому сердечник обычно используется для уменьшения количества витков, а также обеспечить ограниченное магнитное поле, которое снижает излучаемые электромагнитные помехи. Обычно используются порошковые сердечники или аналогичные материалы. Это также можно сделать с ферритовыми сердечниками, но они должны иметь воздушный зазор, чтобы предотвратить насыщение. Размер провода также должен быть тщательно выбран, чтобы потери постоянного тока были низкими (требуется толстый провод), но также уменьшался скин-эффект (сопротивление переменному току также должно быть низким).

Форма сердечника индуктора может быть сердечником барабана, ферритовым сердечником RM с зазором или сердечником из тороидального порошка. Барабанные сердечники имеют проблему, заключающуюся в том, что их магнитное поле не закрыто, что создает более излучаемые электромагнитные помехи. Сердечники RM решают эту проблему, но у них большая часть змеевика закрыта, поэтому могут возникнуть проблемы с охлаждением, поскольку поток воздуха невозможен. ИМО, тороиды предпочтительнее, потому что они имеют как замкнутое магнитное поле, которое помогает контролировать излучаемые электромагнитные помехи, физически открытую структуру, которая обеспечивает надлежащее охлаждение, так и легкую и экономичную намотку, поскольку им не нужны бобины.

Формы катушек … Катушки и сердечники типа барабана, тороида и RM (Wilco & Coilcraft)

Многие производители сердечников, такие как Micrometals или Magnetics, предлагают собственное программное обеспечение, очень полезное для проектирования выходного индуктора, поскольку оно помогает выбрать правильный сердечник, размер провода и геометрические параметры. Конденсатор обычно находится в диапазоне от 200 нФ до 1 мкФ и должен быть хорошего качества. Конденсатор частично отвечает за высокочастотные характеристики и требует низких потерь. Конечно, он должен быть рассчитан на полное выходное напряжение, но желательно намного выше.Обычно выбирают полипропиленовые конденсаторы, распространены сетевые конденсаторы X2. Излишне говорить, что нельзя использовать электролиты!

---

7 — Обратная связь

Как я уже говорил ранее, ошибки синхронизации могут привести к увеличению искажений и шумов. Это нельзя пропустить, и чем точнее она будет сохранена, тем лучше будет дизайн. Усилители класса D с разомкнутым контуром вряд ли будут удовлетворять строгим требованиям, поэтому отрицательная обратная связь почти обязательна. Есть несколько подходов.Самый простой и распространенный — это взять часть сигнала переключения, предварительно обработать ее с помощью пассивного RC-фильтра нижних частот и подать обратно на усилитель ошибки.

Проще говоря, усилитель ошибки — это операционный усилитель, помещенный в тракт прохождения сигнала (перед компаратором ШИМ), который суммирует входной сигнал с сигналом обратной связи для генерации сигнала ошибки, который усилители автоматически минимизируют (это концепция каждого отрицательного -система обратной связи).

Рисунок 8 — Типичные сетевые подключения с обратной связью

Несмотря на то, что таким образом получаются хорошие результаты, все же остается проблема: зависимость от нагрузки из-за того, что динамик является неотъемлемой частью фильтра, что влияет на его частотную характеристику, как показано выше.

Некоторые более продвинутые усилители принимают сигнал обратной связи с самого выхода, пытаясь это компенсировать. Таким образом, достигается постоянная частотная характеристика с дополнительным усилением, заключающимся в том, что сопротивление катушки индуктивности намного меньше влияет на выходное сопротивление, поэтому оно остается более низким, следовательно, коэффициент демпфирования выше (более высокое управление динамиком). Однако получить обратную связь после фильтра — непростая задача. LC вводит полюс и, следовательно, фазовый сдвиг, который, если не будет должным образом компенсирован, сделает усилитель нестабильным и, в конечном итоге, начнет колебаться.Обратная связь может быть получена как от коммутационного узла, так и от выхода фильтра. Хотя это может дать очень хорошие результаты, все же трудно поддерживать стабильность из-за фазового сдвига через выходной фильтр.

---

8 — Другие топологии

Pure PWM (основанный на треугольных генераторах, также называемый «PWM с естественной дискретизацией») — не единственный способ создания усилителей класса D. Возникло несколько других топологий, многие из которых основаны на автоколебаниях, где гистерезис в компараторе и задержки между компаратором и силовым каскадом могут быть приняты во внимание, чтобы спроектировать систему, которая колеблется сама по себе в некоторой степени управляемым образом.

Хотя эти конструкции проще, они имеют некоторые недостатки, ИМО. Например, частота переключения не фиксированная, а зависит от амплитуды сигнала. Это делает выходные режекторные фильтры неэффективными, что приводит к более высоким уровням пульсаций. Когда несколько каналов объединены, разница в частоте переключения между ними может привести к появлению частот биений, которые могут стать слышимыми и очень раздражающими. Это также может произойти, конечно, с синхронным дизайном, описанным здесь, но есть простое решение — использовать одни и те же часы для всех каналов.

Некоторые автоколебательные конструкции могут иметь другие трудности, такие как запуск: могут потребоваться специальные схемы, которые заставят усилитель начать колебаться. И наоборот, если по какой-либо причине колебания прекратятся, вы можете получить «всегда включенный» полевой МОП-транзистор и, таким образом, большое количество постоянного тока на выходе, за которым почти сразу же выйдет из строя громкоговоритель. Конечно, эти проблемы могут быть решены с помощью правильного проектирования, но добавленная сложность может свести на нет первоначальную простоту, поэтому никакой выгоды не получится.

Низкие искажения в усилителе ШИМ требуют очень линейного треугольного сигнала, а также очень быстрого и точного компаратора. На высоких рабочих частотах, необходимых для оптимальной общей производительности, используемые операционные усилители должны иметь широкую полосу пропускания, чрезвычайно высокую скорость нарастания и отличную линейность. Достичь этого дорого, требуются устройства премиум-класса. Некоторые из этих ограничений частично снимаются за счет автоколебательных конструкций (что делает их немного дешевле), но по большей части это не эффективный компромисс.

Тактовые схемы (фиксированная частота) не легче сделать, чем конструкции с автоколебаниями или модуляцией частоты переключения, но они, безусловно, намного более предсказуемы и имеют меньше проблем в целом. Возможность синхронизации нескольких усилителей гарантирует, что взаимные помехи сведены к минимуму. «Преимущество», заявленное сторонниками схем без тактовой частоты и «случайного переключения», заключается в том, что РЧ-энергия на выводах громкоговорителей распространяется в широком диапазоне частот, что потенциально делает такие усилители более вероятными (или, возможно, менее маловероятными) для прохождения электромагнитных помех. тестирование.С общей точки зрения, это скорее будет помехой, чем преимуществом, поскольку больше невозможно оптимизировать сеть фильтров для максимального подавления частоты переключения.

Существуют также усилители ШИМ, которые заявляют, что они действительно «цифровые», используют технологию One-Bit ™ или генерируют сигнал ШИМ непосредственно из потока данных PCM. Хотя производители таких усилителей, естественно, заявляют о своем превосходстве над всеми остальными, такое самовосхваление в целом следует игнорировать.Реализовать обратную связь в «чистом» цифровом проекте в лучшем случае сложно, и может быть невозможно без использования DSP (процессора цифровых сигналов) или использования внешней аналоговой системы обратной связи. Включение дополнительных АЦП и ЦАП (аналого-цифровых преобразователей и наоборот) вряд ли позволит усилителю быть «лучше», чем методы прямого аналогового анализа, описанные в этой статье.

Относительным новичком на сцене является модулятор сигма-дельта, однако на момент написания у него все еще есть проблемы (проблемы в корпоративной речи).Основная проблема заключается в том, что скорость перехода слишком высока, и ее необходимо уменьшить, чтобы приспособить к реальным компонентам, в частности, полевым МОП-транзисторам с переключением мощности.

«Чистые» цифровые решения, описанные выше, имеют еще один недостаток, а именно тот факт, что количество импульсов различной ширины конечно и определяется тактовой частотой. Цифровая система может включать только тактовый переход. Согласно имеющейся в настоящее время информации, при добавлении в систему цифрового фильтра формирования шума возможна только 8-кратная передискретизация.Система аналоговой модуляции имеет фактически бесконечное количество импульсов различной ширины, но это невозможно при использовании настоящей цифровой реализации.

Эти последние комментарии охватывают очень сложную область, одна из которых выходит за рамки данной статьи. Однако даже скудная информация, приведенная выше, даст большинству читателей гораздо больше информации, которая обычно доступна, особенно от производителей цифровых усилителей класса D.

---

9 — Некоторые заключительные примечания

В заключение, усилители класса D претерпели значительные изменения с момента своего первого изобретения, достигнув уровней производительности, аналогичных обычным усилителям, и даже лучше в некоторых аспектах, таких как присущий им низкий выходной импеданс, который позволяет воспроизводить низкие частоты.И все это с огромным преимуществом высокой эффективности. Конечно, только если они правильно спроектированы.

Однако, хотя конструкции класса D очень привлекательны, они не очень удобны для самостоятельного использования. Чтобы добиться правильно работающего проекта с точки зрения эффективности, производительности и электромагнитных помех, требуется очень тщательная компоновка печатной платы, выбор некоторых компонентов имеет решающее значение и, конечно же, абсолютно необходимы надлежащие приборы.

Эта статья была написана для того, чтобы пролить свет на внутреннее устройство, преимущества и трудности этой не очень известной (и даже менее хорошо изученной) технологии.Все думают, что «Class-D» означает «цифровой». Надеюсь, что после прочтения этой статьи никто не подумает, что больше

---

---

Указатель статей
Основной указатель

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, помимо прочего, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Серджио Санчеса Морено и Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2005. Похожие записи 04.09.2023 0 Масштабирующий усилитель: принцип работы, типы схем и применение 22.08.2023 0 Ba5406 усилитель. BA5406: Мощный двухканальный аудиоусилитель для качественного стереозвучания 15.08.2023 0 Собрать усилитель из китайских плат: Подборка проверенных плат с хорошим звуком для сборки своего усилителя мощности / Подборки товаров с Aliexpress и не только / iXBT Live Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт