Усилитель Д класса: режим работы выходного каскада

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

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

Содержание

1. Что такое усилитель Д класса
2. Схема включения и отключения транзистора NPN:
3. А это схема работы полевого транзистора:
4. Принцип работы усилителя класса Д
5. Схема УНЧ Д класса

Что такое усилитель Д класса

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

Такие аппараты, как правило имеют невысокую выходную мощность и работают в качестве линейного устройства. В усилителях с импульсным источником питания, мощные полевые транзисторы (MOSFET) выполняют функции переключателей. Тоесть, в определенный момент открывают и закрывают переходы транзистора затвор, сток и исток.

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

Схема включения и отключения транзистора NPN:

А это схема работы полевого транзистора:

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

В этом есть существенное отличие от усилителей класса АВ, работающих в линейном подключении. Для примера можно взять усилитель В класса, который способен обеспечить производительность не более 78 процентов, к тому же, это только теоретически. Ниже показана структурная схема УМЗЧ D класса, или как еще говорят, усилителя с ШИМ-контроллером.

Принцип работы усилителя класса Д

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

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

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

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

Схема УНЧ Д класса

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

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

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

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

Также, может быть Вам будут интересен другой усилитель

Вот еще интересный усилитель класса D 100 Вт

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все • Stereo.ru

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

История

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

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

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

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

Голосование за лучший усилитель звука с Алиэкспресс

Какой бы вы выбрали усилитель звука с Алиэкспресс или посоветовали?

Усилитель CS-183

4.76 % ( 1 )

P.M.P.O. PA-80D

4.76 % ( 1 )

Taidacent XH-M180

4.76 % ( 1 )

DigitalPlayer G8

9.52 % ( 2 )

Lepy LP-838

0.00 % ( 0 )

Aosibao AV-889

14.29 % ( 3 )

Aiyima A9 Hi-Fi

14.29 % ( 3 )

S.M.S.L. Q5 Pro

14.29 % ( 3 )

Kguss Bh2DAC

4.76 % ( 1 )

Surpass SP-PW425B

0.00 % ( 0 )

Aiyima JAN5725

4. 76 % ( 1 )

Solupeak SU2

4.76 % ( 1 )

Принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как работают усилители АВ-класса?

Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.

Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.

По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.

На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую. Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.

Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).

В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.

Плюсы

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

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

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

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

Какой усилитель лучше – D-класса или АВ-класса?

Долгое время считалось, что для подключения акустических систем нужно выбирать усилители АВ-класса, потому что им не нужны большие мощности, и у них меньше искажений. Это было связано с тем, что в усилителях D-класса входной сигнал обычно преобразовывался в импульсный с невысокой частотой, и в итоге они хорошо работали лишь в сабвуферном диапазоне.

Сегодня технологии шагнули далеко вперёд, появились мощные быстродействующие транзисторы, которые умеют переключаться (открываться и закрываться) практически мгновенно. На рынке появилось немало широкополосных усилителей D-класса. Широкополосные – это такие усилители D-класса, которые рассчитаны на использование не только с сабвуферами, но и с акустическими системами. Для тех случаев, когда большая мощность не нужна, такие усилители можно сделать чрезвычайно компактными.

Минусы

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

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

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

ТОП-13 лучших усилителей звука с Алиэкспресс

Фото	Название	Рейтинг	Цена
Лучшие автомобильные усилители с Aliexpress
#1		Усилитель CS-183	⭐ 5 / 5 1 — голос	Узнать цену
#2		P.M.P.O. PA-80D	⭐ 5 / 5 1 — голос	Узнать цену
#3		Taidacent XH-M180	⭐ 5 / 5 1 — голос	Узнать цену
#4		DigitalPlayer G8	⭐ 5 / 5 2 — голоса	Узнать цену
#5		Lepy LP-838	⭐ 4. 7 / 5	Узнать цену
Рейтинг лучших усилителей для домашнего использования
#1		Aosibao AV-889	⭐ 5 / 5 3 — голоса	Узнать цену
#2		Aiyima A9 Hi-Fi	⭐ 5 / 5 3 — голоса	Узнать цену
#3		S.M.S.L. Q5 Pro	⭐ 5 / 5 3 — голоса	Узнать цену
#4		Kguss Bh2DAC	⭐ 5 / 5 1 — голос	Узнать цену
#5		Surpass SP-PW425B	⭐ 5 / 5	Узнать цену
#6		Aiyima JAN5725	⭐ 5 / 5 1 — голос	Узнать цену
#7		Solupeak SU2	⭐ 4.9 / 5 1 — голос	Узнать цену
#8		Nobsound Hi-Fi G2 Pro	⭐ 4.8 / 5 4 — голоса	Узнать цену

Какой бы вы выбрали усилитель звука с Алиэкспресс или посоветовали?

Принять участие в опросе

Особенности

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

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

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

Как работают усилители?

Для начала нужно понимать, как вообще работает любой усилитель. Возможно, вы удивитесь, но на самом деле он… ничего не усиливает. Принцип его работы больше похож на работу обычного водопроводного крана – вы крутите ручку, и вода льётся то сильнее, то слабее, то не льётся совсем.

В усилителях всё происходит точно так же – ток от мощного блока питания пропускается через подключенный к усилителю динамик. Роль «крана» выполняют выходные транзисторы, а управляет их открытием и закрытием сигнал, который поступает на усилитель с головного устройства. И вот то, каким образом работает этот «кран» (выходные транзисторы), как раз и определяет класс усилителя.

Практика

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

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

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

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

↑ Размышления и выводы

Мы живем в мире стереотипов. Кто-то считает 4А32 венцом творения, не подозревая, что в хороших современных 30-см динамиках подвижная система может весить меньше 30 грамм. Кто-то спит с лампой 6П3С под подушкой. Кто-то греет классом А свой дом, снимая на выходе 10 Вт полезной мощности. Особо упоротые полируют провода, забывая про тысячи полупроводников на пути от лазера CD плеера до выхода ЦАП.
Мне тоже высказали мои товарищи, что я предал идею… Но я никогда ничего не утверждал, не послушав и не попробовав, на основании чужого авторитетного мнения. Своя голова на что? Я обычно проверяю и слушаю. Так вот мое мнение про класс D — супер! Технология, которой нам когда-то так не хватало.

Зашел как-то ко мне в офис мой давний друг с которым учились в школе. Общие интересы к технике, но разные дороги в жизни. А у меня стоят переделанные S-70 1983 года. От АС остались только НЧ динамики и фильтры. Остальное я просто выкинул, о чем нисколько не жалею. Динамики только пока не смог. Пищалки новые — изодинамика, старые проткнули дети. Корпуса заказные, ~140 литров, фазоинвертор, весят в сборе под 50 кг каждая. Я на них проверяю усилители. Ну и слушаю конечно в фоне.

— А помнишь, — сказал он, — такими АС мы в школе спортзал прокачивали! — Помню, — ответил я, — но знаешь, чего нам реально не хватало тогда? — Чего? — Класса D! — Да, вот отмотать бы назад 30 лет, убрать чей-то домашний «Амфитон 101» + вентилятор и поставить на стол девайс размером с книгу. — И порвать всех!

На данном этапе развития звуковоспроизводящего оборудования слабым звеном является не усилитель и не источник. Эти устройства уже давно по своим характеристикам превосходят возможности человеческого слуха. Самое проблемное — динамик. Особенно, как у нас любят — широкополосник — дешево и сердито. Обещание производителей, измерение АЧХ — это как получится, зависит от корпуса и общей реализации. Реально, на звук влияет столько факторов, что получить эквивалентный THD динамика ниже 1% на мидбасе уже серьезная проблема.

Середина и верх — там уже почти решили — теми же электростатами или серьезным уменьшением массы подвижной системы с одновременным увеличением прочности.

Размеры помещения и стоячие волны — тот еще квест, автолюбители любят его решать ежедневно, увеличивая мощность усилителей, размер и вес динамиков, ибо другим способом физику не обмануть.

А какая прелесть резонансы на диффузорах — кто сталкивался, не даст соврать.

Поэтому хочу высказать свое мнение — данные усилители ничем не уступают на слух хорошему АВ классу, за исключением лучшей отдачи на низах, и меньших габаритах самого корпуса. А по КПД рвут всех.

И это «лабораторка», я не ждал много от этих устройств. При хорошем исполнении параметры будут ещё лучше, если поставить это себе как цель.

А у меня пока всё. Спасибо за внимание!

P.S.

Недавно обратил внимание — производители звукового оборудования стали гордо писать на упаковках
«Class D»
. А ведь
«SMPS»
не писали никогда. Странно, да?

Звук

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

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

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

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

Усилители класса D: основы работы и последние разработки

Скачать PDF

Abstract

Высокая эффективность усилителя класса D делает его идеальным для портативных и компактных приложений высокой мощности. Традиционным усилителям класса D требуется внешний фильтр нижних частот для извлечения аудиосигнала из выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Однако многие современные усилители класса D используют передовые методы модуляции, которые в различных приложениях устраняют необходимость во внешней фильтрации и уменьшают электромагнитные помехи (ЭМП). Устранение внешних фильтров не только уменьшает требования к пространству на плате, но также может значительно снизить стоимость многих портативных/компактных систем.

Введение

Большинство инженеров-конструкторов аудиосистем хорошо осведомлены о преимуществах энергоэффективности усилителей класса D по сравнению с классами линейных аудиоусилителей, такими как классы A, B и AB. В линейных усилителях, таких как класс AB, значительная часть мощности теряется из-за элементов смещения и линейной работы выходных транзисторов. Поскольку транзисторы усилителя класса D используются просто как переключатели для управления током через нагрузку, минимальные потери мощности из-за выходного каскада.

Любые потери мощности, связанные с усилителем класса D, в первую очередь связаны с сопротивлением выходного транзистора в открытом состоянии, потерями при переключении и накладными расходами по току покоя. Большая часть мощности, теряемой в усилителе, рассеивается в виде тепла. Поскольку в усилителях класса D требования к радиатору могут быть значительно уменьшены или устранены, они идеально подходят для компактных приложений с высокой мощностью.

В прошлом преимущество классических усилителей класса D на основе ШИМ в энергоэффективности было омрачено стоимостью компонентов внешнего фильтра, соответствием электромагнитным и электромагнитным помехам и низкими характеристиками THD+N по сравнению с линейными усилителями. Однако в большинстве усилителей класса D текущего поколения используются усовершенствованные методы модуляции и обратной связи для смягчения этих проблем.

Основы усилителей класса D

Несмотря на то, что в современных усилителях класса D используется множество топологий модулятора, в самой базовой топологии используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с треугольным (или пилообразным) генератором. На рис. 1 показана упрощенная блок-схема полумостового усилителя класса D на основе ШИМ. Он состоит из широтно-импульсного модулятора, двух выходных МОП-транзисторов и внешнего фильтра нижних частот (L _F и C _F ) для восстановления усиленного аудиосигнала. Как показано на рисунке, p-канальные и n-канальные МОП-транзисторы работают как переключатели управления током, поочередно подключая выходной узел к V

DD и земле. Поскольку выходные транзисторы переключают выход либо на V _DD , либо на землю, результирующий выходной сигнал усилителя класса D представляет собой высокочастотный прямоугольный сигнал. Частота переключения (f _SW ) для большинства усилителей класса D обычно составляет от 250 кГц до 1,5 МГц. Выходная прямоугольная волна является широтно-импульсной модуляцией входного аудиосигнала. ШИМ достигается путем сравнения входного аудиосигнала с внутренним треугольным (или пилообразным) генератором. Этот тип модуляции также часто называют «естественной выборкой», когда генератор треугольной волны действует как тактовая частота выборки. Результирующий рабочий цикл прямоугольной волны пропорционален уровню входного сигнала. Когда входной сигнал отсутствует, коэффициент заполнения выходного сигнала равен 50%. На рис. 2 показана результирующая форма выходного сигнала ШИМ из-за изменения уровня входного сигнала.

Рис. 1. На этой упрощенной функциональной блок-схеме показан базовый полумостовой усилитель класса D.

Рис. 2. Ширина импульса выходного сигнала изменяется пропорционально величине входного сигнала.

Чтобы извлечь усиленный звуковой сигнал из этой волны ШИМ, выходной сигнал усилителя класса D подается на фильтр нижних частот. LC-фильтр нижних частот, показанный на рисунке 1, действует как пассивный интегратор (при условии, что частота среза фильтра как минимум на порядок ниже частоты переключения выходного каскада), выходной сигнал которого равен среднему значению прямоугольной волны . Кроме того, фильтр нижних частот предотвращает рассеивание высокочастотной энергии переключения в резистивной нагрузке. Предположим, что отфильтрованное выходное напряжение (V _{O_AVG} ) и ток (I

AVG ) остаются постоянными в течение одного периода переключения. Это предположение является достаточно точным, поскольку f _SW намного больше, чем самая высокая входная звуковая частота. Следовательно, связь между рабочим циклом и результирующим отфильтрованным выходным напряжением может быть получена с помощью простого анализа во временной области напряжения и тока катушки индуктивности.

Мгновенный ток, протекающий через индуктор:

, где В _L (t) — мгновенное напряжение на катушке индуктивности с использованием правил знаков, показанных на рисунке 1.

Поскольку предполагается, что средний ток (I _AVG ), протекающий через нагрузку, остается постоянным в течение одного периода переключения, ток дросселя в начале периода переключения (T

SW ) должен быть равен току дросселя в конце периода переключения. период переключения, как показано на рисунке 3.

В математических терминах это означает, что:

Рис. 3. Формы тока и напряжения дросселя фильтра показаны для базового полумостового усилителя класса D.

Уравнение 2 показывает, что интеграл напряжения катушки индуктивности за один период переключения должен быть равен 0. Используя уравнение 2 и анализируя форму волны V

L (t), показанную на рисунке 3, становится ясно, что абсолютные значения площадей (A _ON и A _OFF ) должны быть равны друг другу, чтобы уравнение 2 было верным. Имея эту информацию, мы теперь можем получить выражение для отфильтрованного выходного напряжения в терминах коэффициента заполнения сигнала переключения:

Подстановка уравнений 4 и 5 в уравнение 3 дает новое уравнение:

Наконец, решение для V _O дает:

, где D — коэффициент заполнения сигнала переключения выхода.

Использование обратной связи для повышения производительности

Многие усилители класса D используют отрицательную обратную связь от выхода ШИМ обратно на вход устройства.

Подход с обратной связью не только улучшает линейность устройства, но также позволяет устройству отказаться от источника питания. Это контрастирует с усилителем без обратной связи, который по своей природе имеет минимальное (если вообще есть) подавление питания. Поскольку форма выходного сигнала воспринимается и возвращается на вход усилителя в топологии с обратной связью, отклонения в шине питания обнаруживаются на выходе и корректируются контуром управления. Преимущества конструкции с обратной связью достигаются за счет возможных проблем со стабильностью, как в случае со всеми системами, использующими обратную связь. Следовательно, контур управления должен быть тщательно спроектирован и скомпенсирован, чтобы обеспечить стабильность во всех условиях эксплуатации.

Типичные усилители класса D работают с контуром обратной связи шумообразующего типа, который значительно снижает внутриполосный шум из-за нелинейности широтно-импульсного модулятора, выходного каскада и отклонений напряжения питания. Эта топология аналогична формированию шума, используемому в сигма-дельта модуляторах. Чтобы проиллюстрировать эту функцию формирования шума, на рисунке 4 показана упрощенная блок-схема формирователя шума 1-го порядка. Цепь обратной связи обычно состоит из сети резистивного делителя, но для простоты в примере, показанном на рисунке 4, используется коэффициент обратной связи, равный 1. Кроме того, передаточная функция для интегратора была упрощена до 1/с, поскольку коэффициент усиления идеальный интегратор обратно пропорционален частоте. Также предполагается, что блок ШИМ имеет единичный коэффициент усиления и вклад нулевого фазового сдвига в контур управления. Используя базовый анализ блока управления, можно вывести следующее выражение для вывода:

Рисунок 4. Контур управления с формированием шума 1-го порядка для усилителя класса D выталкивает большую часть шума за пределы полосы частот.

Уравнение 8 показывает, что шумовая составляющая E _n (с) умножается на функцию фильтра верхних частот (функция передачи шума), а входная составляющая V _IN (с) умножается на функцию фильтра нижних частот (функция передачи сигнала). Отклик фильтра верхних частот функции передачи шума формирует шум усилителя класса D. Если частота среза выходного фильтра выбрана правильно, большая часть шума вытесняется за пределы полосы частот (рис. 4). В то время как в предыдущем примере речь шла о формирователе шума 1-го порядка, многие современные усилители класса D используют топологии формирования шума нескольких порядков для дальнейшей оптимизации линейности и ослабления источника питания.

Топологии класса D — полумост против полного моста

Многие усилители класса D также реализованы с использованием полного мостового выходного каскада. Полный мост использует два каскада полумоста для дифференциального управления нагрузкой. Этот тип подключения нагрузки часто называют мостовой нагрузкой (BTL). Как показано на рис. 5, в полномостовой схеме чередуется путь проводимости через нагрузку. Это позволяет двунаправленному току течь через нагрузку без необходимости в отрицательном источнике питания или блокировочном конденсаторе постоянного тока.

Рис. 5. В традиционном полномостовом выходном каскаде класса D используются два полумостовых каскада для дифференциального управления нагрузкой.

На рис. 6 показаны выходные сигналы традиционных BTL-усилителей класса D на основе ШИМ. На рис. 6 выходные сигналы дополняют друг друга, что создает дифференциальный ШИМ-сигнал на нагрузке. Как и в полумостовой топологии, на выходе необходим внешний LC-фильтр для извлечения низкочастотных звуковых сигналов и предотвращения рассеивания высокочастотной энергии в нагрузке.

Рис. 6. Традиционные формы выходных сигналов полного моста класса D дополняют друг друга, создавая дифференциальный ШИМ-сигнал на нагрузке.

Мостовой усилитель класса D обладает теми же преимуществами, что и усилитель класса AB BTL, но имеет более высокую энергоэффективность. Первое преимущество усилителей BTL заключается в том, что они не требуют наличия на выходе конденсаторов, блокирующих постоянный ток, при работе от одного источника питания. То же самое не верно для полумостового усилителя, так как его выходной сигнал колеблется между V _DD и заземление и холостой ход при рабочем цикле 50%. Это означает, что его выход имеет смещение постоянного тока, равное V _DD /2. В мостовом усилителе это смещение появляется с каждой стороны нагрузки, что означает, что на выходе протекает нулевой постоянный ток. Второе преимущество, которое они разделяют, заключается в том, что они могут обеспечить удвоенный размах выходного сигнала по сравнению с полумостовым усилителем с тем же напряжением питания, поскольку нагрузка управляется дифференциально. Это приводит к теоретическому 4-кратному увеличению максимальной выходной мощности по сравнению с полумостовым усилителем, работающим от того же источника питания.

Однако для полномостового усилителя класса D требуется в два раза больше переключателей MOSFET, чем для полумостовой топологии. Некоторые считают это недостатком, поскольку большее количество переключателей обычно означает большие потери на проводимость и переключение. Однако, как правило, это верно только для усилителей мощности с высокой выходной мощностью (> 10 Вт) из-за более высоких выходных токов и напряжения питания. По этой причине полумостовые усилители обычно используются для мощных приложений из-за их небольшого преимущества в эффективности. Большинство мощных мостовых усилителей демонстрируют энергоэффективность в диапазоне от 80% до 88% при нагрузке 8 Ом. Однако полумостовые усилители, такие как MAX9,742 достигают энергоэффективности более 90%, обеспечивая при этом более 14 Вт на канал при сопротивлении 8 Ом.

Устранение выходного фильтра — бесфильтровая модуляция

Одним из основных недостатков традиционных усилителей класса D была необходимость во внешнем LC-фильтре. Это не только увеличивает стоимость решения и требования к пространству на плате, но также создает возможность дополнительных искажений из-за нелинейности компонентов фильтра. К счастью, многие современные усилители класса D используют усовершенствованные схемы модуляции без фильтров, чтобы устранить или, по крайней мере, свести к минимуму требования к внешним фильтрам.

На рис. 7 показана упрощенная функциональная схема топологии безфильтрового модулятора MAX9700. В отличие от традиционного усилителя PWM BTL, каждый полумост имеет собственный компаратор, который позволяет независимо управлять каждым выходом. Модулятор управляется дифференциальным звуковым сигналом и высокочастотным сигналом пилообразной формы. Когда оба выхода компаратора имеют низкий уровень, каждый выход усилителя класса D имеет высокий уровень. В то же время на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ устанавливается высокий уровень, но он задерживается RC-цепью, образованной резистором R9.0018 НА и С _НА . Как только задержанный выход вентиля ИЛИ-НЕ превышает указанный порог, переключатели SW1 и SW2 закрываются. Это приводит к тому, что OUT+ и OUT- переходят в низкий уровень и остаются такими до начала следующего периода выборки. Эта схема вызывает включение обоих выходов на минимальное время (t _ON(MIN) ), которое устанавливается значениями R _ON и C _ON . Как показано на рис. 8, при нулевом входе выходы синфазны с длительностью импульса, равной t _{ВКЛ(МИН)} . Когда входные аудиосигналы увеличиваются или уменьшаются, один компаратор срабатывает раньше другого. Такое поведение, наряду со схемой минимального времени включения, заставляет один выход изменять ширину импульса, в то время как ширина другого выходного импульса остается равной t _ON(MIN) (рис. 8). Это означает, что среднее значение каждого выхода содержит полуволновую выпрямленную версию выходного аудиосигнала. Получение разности средних значений выходных сигналов дает полную форму выходного звукового сигнала.

Рисунок 7. На этой упрощенной функциональной схеме показана топография безфильтрового модулятора класса D MAX9700.

Рисунок 8. Формы входного и выходного сигналов показаны для топографии безфильтрового модулятора MAX9700.

Поскольку выходы MAX9700 выдают синфазные сигналы в режиме ожидания, на нагрузку не подается дифференциальное напряжение, что сводит к минимуму энергопотребление в состоянии покоя без необходимости использования внешнего фильтра. Вместо того, чтобы зависеть от внешнего LC-фильтра для извлечения аудиосигнала с выхода, безфильтровые усилители Maxim класса D полагаются на внутреннюю индуктивность нагрузки динамика и человеческое ухо для восстановления аудиосигнала. Сопротивление динамика (R _E ) и индуктивность (L _E ) образуют ФНЧ 1-го порядка, частота среза которого равна:

Для большинства динамиков этого спада 1-го порядка достаточно для восстановления аудиосигнала и предотвращения рассеяния чрезмерного количества высокочастотной энергии переключения на сопротивлении динамика. Даже если остаточная энергия переключения приводит к движению динамика, эти частоты не слышны человеческому уху и не будут отрицательно влиять на качество прослушивания. При использовании усилителей класса D без фильтров нагрузка динамика должна оставаться индуктивной на частоте переключения усилителя для достижения максимальной выходной мощности.

Минимизация электромагнитных помех с помощью модуляции с расширенным спектром

Одним из недостатков работы без фильтра является возможность излучения электромагнитных помех от кабелей громкоговорителей. Поскольку выходные сигналы усилителя класса D представляют собой высокочастотные прямоугольные сигналы с быстро движущимися фронтами перехода, выходной спектр содержит большое количество спектральной энергии на частоте переключения, кратной частоте переключения. Без внешнего выходного фильтра, расположенного в непосредственной близости от устройства, эта высокочастотная энергия может излучаться кабелями динамиков. Безфильтровые усилители Maxim класса D помогают смягчить возможные проблемы с электромагнитными помехами благодаря схеме модуляции, известной как модуляция с расширенным спектром.

Модуляция с расширенным спектром достигается путем дизеринга или рандомизации частоты переключения усилителя класса D. Частота коммутации обычно изменяется в пределах ±10 % от номинальной частоты коммутации. В то время как период сигнала переключения изменяется случайным образом от цикла к циклу, рабочий цикл не изменяется, тем самым сохраняется звуковое содержимое сигнала переключения. На рисунках 9a и 9b показан широкополосный выходной спектр MAX9700, иллюстрирующий эффекты модуляции с расширенным спектром. Вместо того, чтобы концентрировать спектральную энергию на частоте переключения и ее гармониках, модуляция с расширенным спектром эффективно распределяет спектральную энергию выходного сигнала. Другими словами, общее количество энергии, присутствующей в выходном спектре, остается прежним, но общая энергия перераспределяется по более широкой полосе пропускания. Это уменьшает пики высокочастотной энергии на выходе, тем самым сводя к минимуму вероятность электромагнитных помех, излучаемых кабелями громкоговорителей. Хотя возможно, что некоторый спектральный шум может перераспределяться в звуковой диапазон при модуляции с расширенным спектром, этот шум подавляется функцией формирования шума контура обратной связи.

Рисунок 9а. Широкополосный выходной спектр показан для MAX9700 с использованием фиксированной частоты переключения.

Рисунок 9б. Модуляция с расширенным спектром перераспределяет спектральную энергию MAX9700 по более широкой полосе пропускания.

Многие безфильтровые усилители Maxim класса D также позволяют синхронизировать частоту переключения с внешним тактовым сигналом. Это позволяет пользователю вручную установить частоту переключения усилителя в менее чувствительный частотный диапазон.

Несмотря на то, что модуляция с расширенным спектром значительно улучшает характеристики электромагнитных помех усилителей класса D без фильтров, обычно существует практическое ограничение на длину кабелей динамиков, которые можно использовать до того, как устройство начнет нарушать требования FCC или CE по излучению. Если устройство не проходит тесты на излучение из-за длинных акустических кабелей, может потребоваться внешний выходной фильтр для обеспечения дополнительного ослабления высокочастотных составляющих формы выходного сигнала. Во многих приложениях с кабелями колонок средней длины достаточно ферритовых/конденсаторных фильтров на выходах. Характеристики электромагнитных помех также очень чувствительны к компоновке, поэтому необходимо строго соблюдать соответствующие рекомендации по компоновке печатных плат, чтобы гарантировать соответствие применимым нормам FCC и CE.

Заключение

Недавние достижения в методах модуляции класса D позволили усилителям класса D процветать в приложениях, где когда-то доминировали линейные усилители. Современные усилители класса D включают в себя все преимущества усилителей класса AB (т. е. хорошую линейность и минимальные требования к месту на плате) с дополнительным бонусом в виде высокой энергоэффективности. В настоящее время существует широкий выбор усилителей класса D, что делает их подходящими для множества приложений. Эти приложения варьируются от портативных приложений с низким энергопотреблением (например, сотовые телефоны, ноутбуки), в которых срок службы батареи, требования к пространству на плате и соответствие электромагнитным помехам имеют первостепенное значение, до приложений с высоким энергопотреблением (например, автомобильные звуковые системы или плоские панели). дисплеи), где крайне важно свести к минимуму требования к теплоотводу и тепловыделению. Фундаментальное понимание усилителей класса D и их последних технологических достижений поможет разработчикам выбрать правильный усилитель для их применения и позволит им успешно взвесить преимущества и недостатки конкретных функций.

Как работает «цифровой» усилитель класса D

1. Главная
2. Исследования АВ
3. Аудиоусилители
4. Как работает «цифровой» усилитель класса D

к Алан Лоффт — 07 мая 2009 г.

Авторы: Джин ДеллаСала

A1400-8

Большинство аудиофилов и энтузиасты выросли, по крайней мере, с базовым пониманием того, что усилитель делает. Требуется крошечный переменный электрический сигнал, который представляет от момента к моменту вариации музыкальных частот и их амплитуд (уровни громкости) и увеличивает их силу во много раз, чтобы они стали мощными достаточно, чтобы двигать конусы и купола динамиков вперед и назад для создания воздуха вариации давления (волны), которые воспроизводят исходные звуковые волны. Музыкальный тоны изменяются так медленно, как 16 раз в секунду (16 Гц) — очень низкий уровень для органа. примечание: до 15 000 раз в секунду (15 кГц) и более – самая высокая гармоники тарелки или скрипки, например.

Аналоговый Hi-Fi Усилители

До недавнего времени большинство усилители были аналоговыми, и большинство из них относилось к классу A/B. Что это иметь в виду? Возможно, это один из самых простых способов понять, как работает аналоговый звук. работы усилителя состоит в том, чтобы думать о нем как о своего рода «клапане» с сервоуправлением (клапан последнее — это то, что британцы называют вакуумными лампами), которое регулирует накопленную энергию. из настенной розетки, а затем выпускает его в дозированных количествах на ваш музыкальные колонки.

Сумма разряженный синхронизируется с быстрыми изменениями входящего аудиосигнала. Этот слабый сигнал переменного тока используется для модуляции схемы, которая высвобождает мощность (напряжение и сила тока), накопленные большими конденсаторами и трансформатором в усилителе. источник питания, мощность, которая разряжается точно параллельно крошечному модуляции входящего звукового сигнала.

Этот сигнал в входной каскад усилителя применяет переменную проводимость к выходной цепи транзисторы, которые высвобождают энергию из источника питания усилителя для перемещения вашего конусы и купола громкоговорителей. Как будто вы быстро поворачиваетесь на кране (вы поворачиваете кран, это звуковой сигнал), который выпускает все накопленное давление воды — водонапорная башня или резервуар являются хранилищем конденсаторы — по определенному образцу, своего рода жидкий код. Для нашего целей, это все, что нам нужно знать об аналоговом усилении.

Цифровой Усиление

Обычно цифровой усилитель (класса D) требует входящий аналоговый сигнал и преобразует его в цифровое представление, состоящее из ширины импульса. Несмотря на то, что существует множество различных вариантов дизайна, Усилители класса D по сути являются переключающими усилителями или широтно-импульсными модуляторами. (ШИМ) конструкции. Входящий аналоговый аудиосигнал используется для модуляции очень высокого несущая частота с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которая работает на выходном каскаде либо полностью включен или выключен. В дальнейшем эту сверхвысокочастотную несущую необходимо убрать с аудиовыхода с фильтром реконструкции, чтобы не было сверхвысоких компоненты переключения частоты остаются для искажения аудиосигналов.

Различия в Широтно-импульсная и кодово-импульсная модуляция
Работа цифрового усилителя немного похоже на то, как CD или цифровой рекордер работает с PCM (импульсный код). Модуляция), основа всех цифровых аудиозаписей. В цифровом формате PCM запись (например, на компакт-диск), цифровой дискретный АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) «описывает» входное аналоговое напряжение и частоту цифровым код единиц и нулей. Но в цифровом усилителе ширина импульса Модулятор описывает низкочастотный звуковой сигнал как «ширину импульса», поэтому много миллисекунд шириной. (Высокая частота будет иметь более узкий импульс, меньше миллисекунды — см. диаграмму). Как только аналоговый звуковой сигнал (изогнутая красная синусоидальная волна, подавляющая импульсы) «описывается» в терминах ширины импульса, это усиливается, а затем преобразуется обратно в аналоговую форму. В ходе этого процесса фильтр реконструкции должен удалять все импульсы включения и выключения, оставляя только более низкие частоты, которые представляют звуковой сигнал.

Как начальник Аксиомы Инженер по исследованиям и разработкам Том Камберленд описывает это так: цифровой усилитель — это «мощный ЦАП», и, конечно же, ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) является основой всего носители с цифровой записью, будь то компакт-диски, аудио высокого разрешения, Blu-Ray саундтреки, DVD-видео и так далее. Некоторые считают, что «все цифровые усилители дерьмо» не соответствует действительности. На самом деле, тактовая частота хорошего цифрового аудиоусилителя обычно находится в диапазоне от 350 до 500 кГц (это 500 000 Гц). (Axiom A1400 цифровой усилитель использует тактовую частоту 450 кГц.) Напротив, даже цифровая аудиосистема с самым высоким разрешением (DVD-Audio и вариант, используемый для Blu-ray саундтреки) работает на 192 кГц, что намного ниже тактовой частоты хороший цифровой усилитель.

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

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

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

Есть даже различия в работе цифровых усилителей.

Например, «ICE» цифровые усилители, разработанные подразделением Ice Power датской компании Bang & Olufsen использует очень сложную систему отрицательной обратной связи из-за допусков деталей. B&O имеет патенты на свой усилитель «ICE», который в основном относится к классу D. конструкция переключения (широтно-импульсный модулятор) с вариантами, заявленными B&O уменьшает искажения до уровня, характерного для усилителей класса А, сохраняя при этом высокая эффективность коммутационных конструкций класса D.

«ИК» (Международный Rectifier) ​​— это система, используемая Axiom Audio в своем цифровом усилителе A1400. Axiom работала с International Rectifier, чтобы поддерживать допуски деталей на должном уровне. очень минимальная сумма, так что очень мало отрицательных отзывов будет использоваться для исправить аномалии в выводе. Такой подход также сделал усилитель более надежный в своей работе, не подверженный колебаниям или нестабильность.

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

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

В ИК-типе цифровой дизайн, который использует очень мало негативных отзывов или вообще не использует их, тактовая частота выше, а эффективность увеличивается. Кроме того, высокая эффективность в сочетании с высокой мощностью и более высоким общим разрешением. При полном выходе, Цифровой усилитель Axiom A1400 работает примерно на 9КПД 5% (для сравнения, класс A/B аналоговые усилители работают с эффективностью от 50% до 60%; остаток тратится впустую нагревать).

Отдельное спасибо Axiom Аудио за разрешение перепечатать эту статью.

 

См. также:

• Вся правда о цифровых усилителях (класса D)
• Основы импульсного усилителя (класс D)
• Импульсные усилители: технология и проблемы
• Атака усилителей клонов

 

Не знаете, какой AV Gear купить или как его настроить? Присоединяйтесь к нашей эксклюзивной программе подписки на электронные книги Audioholics!

Обсудить эту статью

lovinthehd сообщений от 14 августа 2021 г. 21:00

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

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

Мой студийный монитор JBL LSR6300 использует D, и я слышу что-то похожее на квантизацию на низких уровнях. Это возможно? Чтобы исправить это, кто-нибудь знает, что это может быть? Получение схемы от JBL будет настоящим приключением, даже если продукт снят с производства.