Усилитель звука d класса: Выбор усилителя класса D с aliexpress / Stereo.ru

Усилители класса D

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

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).

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.

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.

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.

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 ...

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).

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.

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!

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.

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.

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

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 14.04.2021 0 Тип лампового усилителя: Лучший ламповый усилитель: характеристики и отзывы 12.04.2021 0 Силовой провод для усилителя: Вся правда о проводах (если честно, не совсем вся, но много). Журнал «Автозвук» 05.04.2021 0 Усилитель d класса: Современные усилители класса D или …? / Stereo.ru Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий Имя * Email * Сайт