Усилитель класса D — мал, да удал

Функция звукового усилителя заключается в воспроизведении входного сигнала элементами выходной цепи, с необходимой громкостью и мощностью, точно, с минимальным рассеянием энергии и малыми искажениями. Усилитель должен обладать хорошими характеристиками в диапазоне звуковых частот, который находится в области 20–20 000 Гц (для узкополосных динамиков, таких как сабвуфер или высокочастотная головка, диапазон может быть уже). Выходная мощность варьируется в широких пределах в зависимости от назначения усилителя — от милливатт в головных телефонах до нескольких ватт в телевизоре и персональном компьютере (ПК), десятки ватт в домашней или автомобильной стереосистеме; наконец, сотни ватт в наиболее мощных домашних или коммерческих аудиосистемах для театров и концертных залов.

Простейший вариант реализации усилителя звука — использование транзисторов в линейном режиме, что позволяет получить на выходе увеличенное входное напряжение. Усиление в данном случае обычно велико (по меньшей мере, 40 дБ). Часто используется отрицательная обратная связь, так как она улучшает качество усиления, снижая вызванные нелинейностью усилительных каскадов искажения и подавляя помехи от источника питания.

В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB. В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации. Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.

Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах.

Энергия рассеивается во всех линейных выходных каскадах, поскольку при обеспечении выходного напряжения, по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток и напряжение. Мощность рассеяния сильно зависит от начального смещения выходных транзисторов.

В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала. В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).

Построение выходного каскада в классе B практически исключает постоянный ток через транзисторы и существенно уменьшает мощность рассеяния. Выходные транзисторы в этом случае работают по двухтактной схеме, верхнее плечо обеспечивает положительные токи через громкоговоритель, нижнее плечо — отрицательные. Мощность рассеяния уменьшается потому, что через транзисторы протекает только связанный с сигналом ток, постоянная составляющая практически отсутствует. Однако выходной каскад класса B дает худшее качество звука вследствие нелинейного характера выходного тока при переходе через ноль (переходные искажения), что имеет место из-за особенностей включения/выключения выходных транзисторов.

В классе AB, являющемся компромиссом между A и B классами, постоянный ток смещения существует, однако гораздо меньший, чем в классе A. Небольшого постоянного тока смещения оказывается достаточно для устранения переходных искажений и обеспечения тем самым хорошего качества звучания. Мощность рассеяния в данном случае оказывается больше, чем в классе B, и меньше, чем в A классе, но все же количественно ближе к классу B. В этом случае, как и в классе B, необходимо управление выходными транзисторами для обеспечения больших положительных и отрицательных выходных токов.

Тем не менее, даже хорошо спроектированный усилитель класса AB характеризуется значительной мощностью рассеяния, так как средние значения выходных напряжений обычно далеки от напряжений на шинах питания. Большое падение напряжения между стоком и истоком приводит, таким образом, к рассеянию энергии.

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния усилителя класса D гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение. Мгновенная мощность рассеяния в этом случае минимальна.

Поскольку звуковые сигналы заметно отличаются от последовательности импульсов, для преобразования входного сигнала в набор импульсов необходим модулятор.

Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот. Фильтр должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.

Таким образом, основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Но, конечно же, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой и активно используются для построения домашних и автомобильных звуковоспроизводящих систем.

 

Компания Мастер Кит предлагает испытать преимущества таких усилителей. Рассмотрим некоторые усилители D-класса из ассортимента, предлагаемого в разделе Мультимедиа на сайте Мастер Кит.

 

1. MP3116mini — усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра (TPA3116)

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса TPA3116. Драйверы микросхемы имеют мостовое включение. Таким образом, достигается 50Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Подключаемое сопротивление акустики, Ом	4-16
Входное сопротивление, кОм	30
Максимальный ток потребления, А	4
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт	2х50
Рабочая температура, C	-40…+85
Габариты модуля (д/ш/в), мм	60х32х15
Вес	150

 

Особенности:

— широкий диапазон питающего напряжения 5В-24В;

— защита от превышения температуры корпуса микросхемы;

— защита от короткого замыкания в нагрузке;

— высокая частота преобразования 400 кГц-1,2 МГц, что позволяет получить качественный сигнал без применения громоздких фильтров для очистки ШИМ;

— высокий КПД более 90%;

— возможность подключения к линейному входу без предварительных усилителей и цепей согласования;

— применение замкнутой обратной связи обеспечивает отличный уровень подавления помех источников питания;

— на плате установлен регулятор громкости и регуляторы тембра ВЧ и НЧ частот.

 

2. MP3116 — усилитель НЧ D-класса 2х100Вт (TPA3116)

 

Модуль построен на базе звуковой микросхемы D-класса. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116, включенные в мостовом режиме. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	8
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…22000
Максимальная выходная мощность, Вт	2х100
Рабочая температура, C	-40… 85
Габариты модуля, мм	120х80х40
Вес	150

 

3. MP3116btl — усилитель НЧ D-класса 1х150Вт для сабвуфера (TPA3116)

 

Модуль представляет собой мощный одноканальный усилитель для сабвуфера с фильтром для среза высоких частот. Универсальное питание позволяет его использовать в качестве готового усилителя для сабвуфера в машине или дома. Устройство можно использовать в качестве усилителя сабвуфера домашнего кинотеатра. Данный усилитель НЧ обладает минимальными: коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений и сопротивлений нагрузки. Для отключения фильтра и использования устройства в качестве обычного мощного монофонического усилителя необходимо удалить конденсатор C29.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	6
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	20…20000
Максимальная выходная мощность, Вт	1х150
Рабочая температура, C	-40… 85
Габариты модуля, мм	73х77х20
Вес	200

 

4. MP3117box — усилитель НЧ D-класс 2.1, 2х50Вт, 1x100Вт (TPA3116)

Устройство представляет собой качественный усилитель низкой частоты D-класса в DIY корпусе из прозрачного пластика. Благодаря применению отлично зарекомендовавшей себя микросхемы TPA3116 усилитель обладает минимальным  коэффициентом нелинейных искажений, уровнем собственных шумов и широким диапазоном питающих напряжений. Он способен работать с любыми акустическими системами сопротивлением от 4 Ом до 16 Ом. В модуле имеется выделенный канал для сабвуфера мощностью 100Вт.  Усилитель мощности можно использовать как на открытом воздухе для проведения различных мероприятий, так и дома при изготовлении музыкального аудиокомплекса своими руками. Отлично подойдет для компьютерной акустики или домашнего кинотеатра. В модуле используются две отдельные микросхемы TPA3116. Одна из них используется в стереоканале, вторая, включенная в мостовом режиме, в канале сабвуфера. Таким образом, достигается 100Вт выходной мощности на канал с малыми интермодуляционными помехами и низким коэффициентом искажений. Благодаря высокому КПД микросхемы, более 90%, не требуется массивных радиаторов и систем активного охлаждения. На плате установлен регулятор громкости, что делает усилитель боле удобным в применении.

 

 Технические характеристики

Напряжение питания однополярное, В	5-24
Сопротивление подключаемой акустики, Ом	4-16
Максимальный ток потребления, А	9
КПД более, %	90
Диапазон воспроизводимых частот, Гц	14…40000
Частота среза канала сабвуфера, Гц	90
Коэффициент усиления, дБ	26
Максимальная выходная мощность фронт., Вт	2×50
Максимальная выходная мощность саб., Вт	1×100
Рабочая температура, C	0…+50
Габариты модуля в корпусе, мм	65х135х110
Вес	20

 

Предлагаем ознакомиться с другими материалами по теме усиления звука и построения домашних и автомобильных звукоусилительных систем на нашем сайте, например:

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор ФНЧ для сабвуфера

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

BM2114dsp — Цифровой процессор звука

Усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра

 

Наш каталог постоянно обновляется и пополняется новыми товарами, поэтому подписывайтесь на наши новости,  чтобы всегда быть всегда в курсе новинок и специальных предложения на сайте компании Мастер Кит.

Усилитель D-класса. Усилитель звука для авто :: SYL.ru

Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.

Классы автомобильных усилителей

Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.

В чем преимущества устройств D-класса

Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных источников питания (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.

Сравнение КПД усилителей различных классов

На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.

Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.

Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?

На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.

Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.

Область преимущественного использования

Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.

Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.

Усилитель класса D: схема структурная

Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.

Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня – логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня – высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже. Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.

Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами

Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее — в классе A.

Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).

Что такое ШИМ-сигнал?

Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.

Схема, генерирующая ШИМ-сигнал

Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.

Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В – логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.

Как генерируется ШИМ-сигнал

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.

На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий – в обратном случае, как показано на рисунке ниже.

В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.

Как восстановить аудиосигнал из ШИМ-сигнала

Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог – теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).

ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

• частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

• высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

• наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

• быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

• интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.

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!

---

особенности и преимущества. Часть 1

30 января

В последние годы большой популярностью пользуются усилители класса D, хотя впервые они были представлены еще в 1958 г. Что представляют собой усилители класса D? Чем они отличаются от других типов усилителей? Почему этот класс особенно хорошо подходит для применения в аудиоустройствах? Ответы на все эти вопросы содержатся в предлагаемой статье.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).

В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

 

Как правило, выходные каскады линейных усилителей напрямую подключаются к громкоговорителю (лишь иногда через конденсатор). Если в выходном каскаде применяются биполярные транзисторы (БТ), то они обычно работают в линейном режиме, с большим напряжением между коллектором и эмиттером. Кроме того, выходной каскад может быть реализован на МОП-транзисторах, как это показано на рисунке 1. В линейных выходных каскадах мощность рассеивается, так как генерация напряжения VOUT неизбежно ведет к ненулевым значениям IDS и VDS, как минимум, в одном из выходных транзисторов. Величина рассеиваемой мощности зависит от величины смещения выходных транзисторов.

 

Рис. 1. Линейный выходной каскад на МОП-транзисторах

В схемах усилителей класса А один из транзисторов используется в качестве источника постоянного тока, обеспечивающего максимальную величину тока, которая может быть необходима динамику. В результате, с помощью усилителей класса А можно добиться хорошего качества звука, но потеря энергии в таких схемах чрезвычайно велико по той причине, что через выходные транзисторы протекает большой постоянный ток (здесь он не приносит пользы), а через громкоговоритель, где он, собственно, и нужен, ток не проходит.

В схемах класса В ток смещения отсутствует, и благодаря этому рассеивается намного меньше энергии. В устройствах данного класса выходные транзисторы работают в двухтактном режиме, то есть транзистор MH «выдает» ток, а транзистор ML «отводит». Однако качество звука при использовании схем класса В оставляет желать лучшего из-за нелинейных искажений (типа «ступеньки»), которые возникают при переключении транзисторов.
Класс АВ представляет собой компромисс — сочетание класса А и класса В; здесь присутствует постоянный ток смещения, но намного меньший, чем в схемах класса А. Использование малого тока смещения позволяет избежать искажений типа «ступеньки», добиваясь высокого качества звука. Потеря мощности в данном классе схем находится в диапазоне между потерей в классах А и В, но обычно оно лишь чуть больше, чем в усилителях класса В. Схема усилителя класса AB подобна схеме усилителя класса B и способна выдавать или отводить большой выходной ток. К сожалению, даже в удачных конструкциях класса АВ потеря мощности остается значительным по причине того, что среднее значение выходного напряжения очень отличается от значений напряжения питания. Большой размах изменения напряжения «сток-исток» приводит к большим значениям произведения IDSVDS, а значит, и к большим потерям мощности.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Усилители класса D благодаря принципиально другой топологии отличаются уникально низкой потерей мощности по сравнению со всеми упоминавшимися выше типами устройств.

 

Рис. 2. Схема усилителя класса D без цепи ОС

 

В схеме усилителя класса D (см. рис. 2) напряжение на выходе усилителя переключается между положительным и отрицательным источниками питания, и, таким образом, на выходе наблюдается последовательность импульсов. Такая форма сигнала способствует малой потере мощности, так как через выходные транзисторы, когда они закрыты, ток не течет, а когда они проводят ток, значение напряжения VDS мало, поэтому мало и произведение IDSVDS. Поскольку большинство аудиосигналов не являются последовательностью импульсов, в состав схемы усилителя класса D непременно входит модулятор, который преобразует аудиосигнал в импульсный. Спектр импульса включает как, собственно, аудиосигнал, так и значительные высокочастотные составляющие, обусловленные процессом модуляции. Между выходным каскадом и динамиком обычно стоит фильтр нижних частот (ФНЧ), чтобы минимизировать электромагнитные помехи и предотвратить подачу на динамик высокочастотных сигналов.

 

Рис. 3. Дифференциальный переключающийся выходной каскад с индуктивно-емкостным фильт­ром нижних частот

 

На фильтре (см. рис. 3) также нельзя допускать потери мощности, чтобы сохранить тот выиг­рыш, который обеспечивает переключающаяся схема выходного каскада. Как правило, в фильтре используют конденсаторы и индуктивности, а единственным элементом, где происходит потеря мощности, остается динамик.

На рисунке 4 сравниваются теоретически рассчитанные величины рассеиваемой мощности в выходных каскадах (PDISS) усилителей классов А и В с измеренным значением рассеиваемой мощности для усилителя AD1994 класса D.

 

Рис. 4. Потеря мощности в выходных каскадах усилителей класса  A,  B, и D

 

Рассеиваемая мощность рассчитана в зависимости от выходной мощности (PLOAD), подаваемой на динамик, при синусоидальном сигнале звуковой частоты. Выходная мощность нормирована к уровню PLOAD max, при котором синусоидальный сигнал «срезается» сверху так, что суммарный коэффициент гармонических искажений составляет 10%. Вертикальная линия показывает мощность PLOAD, при которой начинается «срезание» синусоиды.

На рисунке видно, что значительные различия в величине рассеиваемой мощности наблюдаются в широком диапазоне мощности на нагрузке и особенно явны при больших и средних нагрузках. В начале «срезания» синуса потери в выходном каскаде усилителя класса D в 2,5 раза меньше, чем в каскаде класса В и в 27 раз меньше, чем в классе А. Стоит отметить, что в выходном каскаде усилителя класса А потеря энергии больше, чем в громкоговорителе — это результат использования большого постоянного тока смещения. Коэффициент полезного действия выходного каскада (Eff) определяется выражением:

 

Eff = PLOAD /(PLOAD+ PDISS).

 

В начале «срезания» синуса КПД составляет 25% для усилителей класса А, 78,5 — для усилителей класса В и 90 — для усилителей класса D (см. рис. 5). Наилучшие значения КПД для усилителей классов А и В часто приводятся в литературе.

 

Рис. 5. КПД выходных каскадов усилителей классов A, B и D

Преимущества усилителей класса D в том, что они позволяют расширить диапазон рабочих мощностей. Это важно для воспроизведения звука, так как длительные средние уровни мощности при высокой громкости не используют весь динамический диапазон, а короткие мощные пики достигают уровня
PLOAD max. Так, для звуковых усилителей PLOAD = 0,1. PLOAD max — это разумный рабочий уровень мощности, на котором следует определять PDISS. На этом уровне потеря мощности в усилителях класса D в девять раз ниже, чем в классе В и в 107 раз ниже, чем в классе А.

Для звукового усилителя со значением PLOAD max = 10 Вт рабочий уровень в 1 Вт представляется оптимальным для прослушивания. При таких условиях в выходном каскаде класса D рассеивается 282 мВт; в классе В — 2,53 Вт; а в классе А — 30,2 Вт. КПД усилителей класса D при данной мощности снижается до 78 с 90% при большей мощности. Но даже 78% несравненно лучше, чем КПД классов В и А — 28 и 3% соответственно.
Отличия в КПД и рассеиваемой мощности существенны с точки зрения применения перечисленных усилителей. При уровнях мощности более 1 Вт большие тепловые потери в линейных выходных каскадах приводят к необходимости дополнительных затрат на систему охлаж-

дения.
Для уровней мощности менее 1 Вт нагрев при диссипации энергии в выходном каскаде не так существенен, но здесь важным становится сам факт бесполезной потери энергии. Если система питается от батареи, то линейные выходные каскады будут разряжать батарею намного быстрее, чем системы с усилителями класса D. Из вышеприведенного примера видно, что система с усилителем класса D потребляет тока в 2,8 раза меньше, чем усилители класса В и в 23,6 раза меньше, чем усилители класса А — в результате получается существенная разница во времени автономной работы таких устройств, как сотовые телефоны, MP3-плееры и «наладонники».
До сих пор мы рассматривали только выходной каскад усилителя. Однако, если рассматривать все потребляющие элементы усилительной системы, то линейные усилители становятся более серьезными конкурентами классу D на малых рабочих мощностях. Дело в том, что мощность, которая затрачивается на генерацию и модуляцию импульсного сигнала, относительно велика при малой выходной мощности. Таким образом, суммарные потери хорошо сконструированного усилителя класса АВ при относительно небольшой мощности могут быть примерно такими же, как и потери в усилителе класса D. Но при больших мощностях усилитель класса D имеет неоспоримые преимущества по рассеиваемой мощ-
ности.

 

На рисунке 3 изображен дифференциальный вариант включения выходных транзисторов в усилителе класса D с емкостно-индуктивными фильтрами. Полный мост (H-bridge) состоит из двух полумостовых схем (half-bridge), работающих в ключевом режиме, которые подают импульсы противоположной полярности на фильтр, состоящий из двух индуктивностей, двух емкостей и динамика. Каждый из полумостов представляет собой два транзистора: «верхний» MH, подключенный к положительной шине питания, и «нижний» ML, подключенный к отрицательной шине питания. На схемах показано, что в качестве «верхних» применяются транзисторы pMOS. Транзисторы nMOS также часто применяются в качестве «верхних», они позволяют уменьшить размеры и емкость затвора, но для них требуется специальная схема управления [1].
Полные мостовые схемы обычно питают от однополярного источника (VDD), а отрицательный вывод питания (VSS) подключается к «земле». При одинаковых значениях VDD и VSS дифференциальная схема дает выигрыш в размахе сигнала в два раза и в мощности — в четыре раза по сравнению с несимметричной схемой.
На шинах питания полумостовой схемы могут возникнуть выбросы напряжения за счет энергии, накопленной в индуктивности LC-фильтра. Скорость нарастания напряжения dV/dt этих переходных процессов может быть ограничена при помощи конденсаторов большой емкости между шинами питания VDD и VSS. Полномостовая схема не имеет такой проблемы, так как ток протекает из одного полумоста в другой, создавая локальную петлю, и, таким образом, этот ток не влияет на напряжение питания.

 

Малая величина рассеиваемой мощности в усилителях класса D обеспечивает существенные преимущества при их применении в звуковых трактах, однако разработчики непременно столкнутся с необходимостью решения следующих проблем:
– выбор выходных транзисторов;
– защита выходного каскада;
– качество звука;
– метод модуляции;
– радиопомехи;
– разработка LC-фильтра;
– высокая стоимость системы.

 

Размер выходного транзистора выбирается так, чтобы минимизировать потери мощности в широком диапазоне различных значений сигнала. Требование малого значения VDS при пропускании большого тока IDS означает, что выходной транзистор должен иметь малое сопротивление открытого канала RON (около 0,1…0,2 Ом). Но для этого нужен большой транзистор со значительной емкостью затвора CG. Схема, управляющая затвором транзистора и работающая на емкостную нагрузку, потребляет мощность, равную CV2f, где C — емкость затвора, V — изменение напряжения затвора в процессе заряда, f — частота переключения. Эти «потери на переключение» становятся чрезмерными в случае, если емкость или частота переключения велики, поэтому существуют некоторые практические ограничения. Таким образом, выбор транзистора должен осуществляться путем подбора идеального соотношения для минимизации потерь при пропускании тока (минимум произведения IDS VDS) и минимизации потерь на переключение. Потери за счет сопротивления RON преобладают при высоких уровнях мощности, а при низких большее влияние оказывают потери на переключение. Производители транзисторов стремятся минимизировать произведение RON CG в своих приборах, чтобы максимально снизить возможные потери мощности и предоставить инженерам наибольшую свободу в выборе частоты переключения.

 

Должна быть предусмотрена защита выходного каскада от различных потенциальных опасностей.
Перегрев: тепловые потери в выходных каскадах усилителей класса D хоть и меньше, чем в линейных усилителях, но, тем не менее, могут привести к опасному перегреву выходных транзисторов в случаях, когда усилитель долгое время работает на большой мощности. Для защиты от перегрева применяется цепь контроля температуры. Простейшие из таких схем отключают выходной каскад в случае его нагрева выше пороговой температуры отключения. Температура каскада измеряется встроенным датчиком. Каскад остается отключенным до тех пор, пока он не остынет. С помощью датчика температуры можно не только отключать каскад, но и временно уменьшать уровень громкости при перегреве, снижая тем самым тепловую потерю мощности в каскаде и поддерживая температуру в рабочих пределах.
Токовая перегрузка выходных тран­зисторов: малое сопротивление выходных транзисторов в открытом режиме не создает никаких проблем, если выходной каскад и динамик правильно подключены. Но если выход замкнут накоротко или подключен к положительной или отрицательной шине питания, то в цепи могут протекать очень большие токи. Невнимательность в этом вопросе может привести к повреждению транзисторов или остальной части схемы, поэтому необходимы контроль тока и защита. Простые системы контроля токов отключают каскад при значениях токов выше установленного порога. В более сложных системах реализуется обратная связь, которая настраивает усилитель на работу в безопасном режиме без его отключения. В таких схемах отключение происходит только в крайнем случае, когда система не может настроить усилитель на работу в допустимых пределах. Системы контроля токов позволяют также предохранить от выбросов тока при резонансах в динамике.
Понижение напряжения питания: большинство переключающихся выходных каскадов работают хорошо только при достаточно высоком напряжении питания. Проблемы начинаются тогда, когда напряжение питания снижается. Этот момент контролируется системой блокировки, которая позволяет выходным каскадам работать только при напряжении питания выше порогового уровня.

 

Рис. 6. Схема контроля транзисторов с отключением до включения

Время включения выходного транзистора: верхний (MH) и нижний (ML) (см. рис. 6) выходные транзисторы имеют очень низкое сопротивление в открытом режиме. Поэтому очень важно не допустить ситуации, когда оба выходных транзистора открыты одновременно, так как в этом случае возникнет цепь с малым сопротивлением между VDD и VSS, по которой через оба транзистора потечет большой сквозной ток. В лучшем случае они перегреются и повысятся потери мощности, а в худшем транзисторы выйдут из строя. Система управления транзисторами с отключением и последующим включением предотвращает возможность возникновения сквозного тока, принудительно выключая оба транзистора, прежде чем включить какой-либо из них. Временной интервал, в течение которого оба транзистора отключены, часто называют «мертвым» временем.

 

Несколько слов стоит сказать о том, как можно добиться качественного звука с использованием усилителей класса D.
Щелчки, которые часто случаются при включении/выключении усилителей, отрицательно сказываются на качестве звучания. К сожалению, усилители класса D тоже страдают от этой проблемы, если недостаточно внимательно отнестись к работе модулятора, системы управления выходными транзисторами и индуктивно-емкостного фильтра в режимах включения и выключения усилителя.
Отношение сигнал/шум (ОСШ): чтобы не допустить ощутимого влияния собственных шумов усилителя на качество звука, ОСШ должен составлять 90 дБ в маломощных портативных устройствах, 100 дБ в устройствах средней мощности и 110 дБ в мощных системах. Эти показатели достижимы в большинстве схем усилителей, однако конкретные источники шума нужно отслеживать в каждом отдельном случае, чтобы добиться удовлетворительного общего
ОСШ.
Нелинейные искажения: под нелинейными искажениями имеются в виду не нелинейные эффекты в процессе модуляции, а искажения за счет «мертвого» времени в выходном каскаде, которое необходимо для предотвращения сквозного тока. Основную информацию о звуковом сигнале несет ширина импульсов на выходе модулятора. Необходимость внесения задержки на величину «мертвого» времени приводит к изменению длительности импульса, и это вызывает нелинейные искажения, пропорциональные величине относительной погрешности длительности импульса. Наименьшее «мертвое» время, достаточное для предотвращения пробоя выходного каскада, обеспечивает минимальный уровень нелинейных искажений. В работе [2] подробно описан метод минимизации искажений в переключающихся схемах. Другими источниками шума являются: разница во времени нарастания и спада импульсов, несовпадение временных характеристик выходных транзисторов и нелинейные эффекты в LC-фильтре.
Коэффициент ослабления влияния источника питания (PSR): в схеме на рисунке 2 показано, что шумы источника питания передаются напрямую в динамик. Это происходит по причине малого сопротивления транзисторов выходного каскада. ФНЧ эффективно убирает высокочастотную составляющую, но пропускает все звуковые частоты, включая шумы. Подробное описание влияния шумов источника питания в дифференциальных и несимметричных импульсных выходных каскадах содержится в работе [3].
Если целенаправленно не решать проблемы нелинейных искажений или влияния источника питания, то редко удается достичь значения PSR лучшего, чем 10 дБ, или коэффициента гармонических искажений (THD) ниже 0,1%. THD часто является причиной возникновения неприятно звучащих искажений высокого порядка.
К счастью, существуют эффективные пути решения этих проблем. Часто помогает применение глубокой обратной связи (как это делается во многих линейных усилителях). Обратная связь со входа LC-фильтра значительно улучшает PSR и ослабляет все искажения и шумы, возникающие до LC-фильтра. Искажения в самом LC-фильтре могут быть ослаблены за счет включения динамика в цепь обратной связи. Качество звука со значениями PSR более 60 дБ и THD менее 0,01% вполне достижимо в тщательно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС.
Однако обратная связь усложняет конструкцию усилителя, так как возникает необходимость обеспечения устойчивости усилителя (нетривиальная задача для цепей высокого порядка). Кроме того, необходима аналоговая обратная связь для отслеживания искажений ширины импульсов, поэтому схема управления должна содержать аналоговую часть для работы с сигналом обратной связи.
Для уменьшения стоимости интег­ральной микросхемы некоторые производители предпочитают урезать аналоговую часть схемы или даже полностью отказываются от нее. В некоторых устройствах используются цифровые модуляторы без обратной связи совместно с АЦП для контроля изменений напряжения питания, и работа модулятора корректируется так, чтобы компенсировать эти изменения [3]. Такой метод позволяет улучшить PSR, но не решает проблемы искажений. В других цифровых модуляторах пытаются заранее компенсировать искажения длительности импульсов или учесть заведомо неидеальные характеристики самого модулятора. Это может частично устранить некоторые причины искажений, но далеко не все. С помощью таких технических приемов добиваются сравнительно неплохого качества звучания на основе усилителей класса D без обратной связи, но для получения лучшего качества звука все-таки необходима обратная
связь.

 

1. International Rectifier, Application Note AN-978, HV Floating MOS-gate driver ICs.
2. Nyboe F., et al «Time domain analysis of open-loop distortion in class D amplifier output stages», presented at the AES 27-th International Conference, Copenhagen, Denmark, September 2005.
3. Zhang L., et al «Real-time power supply compensation for noise-shaped class D amplifier», presented at the 117-th AES Convention, San-Francisco, CA, October 2004.

Окончание статьи будет опубликовано в «ЭК2», 2008.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Усилитель класса D

Добрый день!
Обзор мощного усилителя Д класса, который не совсем оправдал ожидание.
Кому интересно, прошу под кат.

На волне растущей популярности цифровых усилителей – решил тоже купить, удовлетворить любопытство.
Плюсы по сравнению с усилителями класса АБ очень заманчивые – не нужны большие радиаторы, высокий кпд, меньше заморок с питанием, компактность.

Был выбран именно кит, точнее основная плата (main board) от готового усилителя. Выбирал что бы помощней и дешевле.
Вот готовый усилитель в корпусе и с блоком питания (14В/4А), в котором такая же плата.

Плата обходится в 3 раза дешевле, но требуется приложить руку.
Технические характеристики чипа.

Трек

Дополнительная информация

Посылка.

Несмотря на смятый в гармошку угол, все в целости.

Попросил продавца дополнительно кинуть в посылку штекер питания, чтобы сразу проверить работоспособность.


Крупный план.

Дополнительная информация

Регулятор громкости, который заявлен как «Original Japanese ALPS» скорее всего фейк.
Хорошо видна микросхема усилителя tpa3123d2 и операционного усилителя NE5532.

Тестовый запуск. Блок питания от древней магнитолы, 14,5 В около 2А. Акустика на 15ГДШ в корпусах от той же магнитолы.


Планируемый корпус. Глубина 120 мм, высота 60 мм, ширина 220 мм.

После прослушивания стало ясно, что звук не фонтан, искажения растут резко с ростом мощности, звук плоский и «дешевый».
Быстро и по колхозному (энтузиазм же потерян!) усилитель был упакован в корпус и подарен другу.


Кто будет брать отдельно плату нужно учесть что отверстий для крепления нет, в родном корпусе плата ставится в пазы.

Плюсы:
Высокая мощность в маленьком размере.
Однополярное питание.
Минусы:
Звук.
Извращение с креплением.

Если брать, то пожалуй усилитель с сборе с корпусом. Подойдет для непритязательных слушателей.
Спасибо за внимание!

Усилитель класса D.

Здравствуйте читатели и любители собирать своими руками. Технологии на месте не стоят. Кто бы мог подумать, что место аналоговых займут цифровые. Класс D — режим, в котором активные элементы каскада работают в ключевом (импульсном) режиме.
Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры.
Далее продолжение.
Обзор написал спустя более года после покупки этого усилителя. Что бы не было потом, что типа Китай и долго не проработает.
Сам усилитель компактный и можно встроить в любой подходящий корпус.
Параметры усилителя:
— Model: Y148
— PCB board size- 50*70mm
— Adopts YDA148 high-efficiency digital audio power amplifier IC
— DC input voltage: 9~15V
— Current: 2~4.5A
— Power output at DC 15V input: 15W x 2 (8 ohm), 30W x 2 (4 ohm)
— Power output at DC 12V input: 10W x 2 (8 ohm), 20W x 2 (4 ohm)
— Needs heat sink at 4 ohm, doesn’t need heat sink at 8 ohm
— Frequency response: 10Hz~20KHz(±0.2dB @1KHz)
— Load speaker: 4 / 6 / 8 ohm
— SNR: at least 90dB

Вот ссылка на более подробное описание. m5.img.dxcdn.com/CDDriver/CD/sku.93121.xls.
emtb.pl/pliki/glosnik_bt/YDA148_D-510_en-2.pdf

Немного фото.


Работает в паре с этими колонками.

Немного теории.
Преимущество усилителей класса D
В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах A, B и AB. В сравнении с выходным каскадом, работающим в D классе, мощность рассеяния в линейных каскадах велика даже в случае их идеальной реализации. Это обеспечивает D классу значимое преимущество во многих приложениях вследствие меньшего тепловыделения, уменьшения размеров и соответственно стоимости изделий, увеличения времени работы автономных устройств.

Обозреваемый усилитель используется с компьютером. И запитан от него же. Меня устраивает качество звука. Звёзд с неба не хватает. И со своей задачей справляется.
Плюсы усилителя:
Небольшие размеры. Можно встроить в любой корпус.
Диапазон питающего напряжения.
Стоят на выходе дроссели. Нет высокочастотных шумов.
Очень маленький нагрев. Можно подстраховаться и поставить небольшой радиатор.
Высокий КПД 90-93%. То есть вся мощь идёт на работу а не нагрев.
Меня этот усилитель устраивает на все сто. Доказано практикой.
P.S.
Что бы сделать толковый обзор нужен генератор сигналов. Осцилограф. И мощные резисторы в качестве нагрузки.
До этого собирал усилки на транзюках. Потом на микросхемах. Есть с чем сравнивать.
Собранный очень давно усилитель на STK4162

Усилители класс D

Аудио усилители MERUS класса D. Производитель электронных компонентов Infineon запустил свой бренд MERUS, объединив существующий портфель многочиповых модулей и дискретных аудио продуктов под одним именем. Бренд призван продемонстрировать лучшие интегральные схемы для усилителей звука.

Статья полностью: → Аудио усилители MERUS — Часть 2

Усилители класс D

Усилитель мощности D класса. Основное достоинство усилителей D класса — высокий КПД, при этом главной задачей звуковых усилителей является передача входного аудио сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами.

Статья полностью: → Трансформатор для светодиодной ленты

Усилители класс D

Аудио усилители MERUS класса D. Производитель электронных компонентов Infineon запустил свой бренд MERUS, объединив существующий портфель многочиповых модулей и дискретных аудио продуктов под одним именем. Бренд призван продемонстрировать лучшие интегральные схемы для усилителей звука.

Статья полностью: → Аудио усилители MERUS

Усилители класс D

Усилитель двухканальный TAD Evolution M1000 — японская высокотехнологичная Hi-Fi компания Technical Audio Devices Laboratories Inc. представляет новый электронный компонент для серии TAD Evolution, а именно новый стереофонический усилитель мощности, в виде двухканального усилителя мощности TAD Evolution M1000.

Ознакомиться со всем текстом поста: → Усилитель двухканальный TAD Evolution M1000

Усилители класс D

Усилитель для сабвуфера ПалНик — если вы после сборки таких усилителей, как Ланзар, Холтон, ОМ, начинаете присматриваться к Д-классу, то этот усилитель как раз для первого ознакомления с Д-классом. ПалНик обладает довольно неплохими характеристиками, несложной схемой и не требует никаких настроек.

Читать подробнее → Усилитель для сабвуфера

Усилители класс D

Принцип действия усилителя класса D был предложен еще в 1958 году, но только в настоящее время он получил широкое распространение, что обусловлено появлением быстродействующих полевых транзисторов и цифровых процессоров обработки звукового сигнала (DSP), работающих в режиме реального времени.

Мостовая схема усилителя →

Усилители класс D

Усилитель D класса является оптимальным решением по соотношению стоимости и мощности устройства. Высокое КПД сочетается с невысоким тепло выделением радиатора, что позволяет экономить на использовании больших по своему размеру радиаторов.

Схема усилителя класса D →

Усилители класс D

Популярность усилителей класса D, предложенных еще в 1958 году, заметно выросла в последние годы. Что они собой представляют? Как соотносятся с другими типами усилителей? Почему класс D представляет интерес для аудиотехники? Что необходимо, чтобы сделать «хороший» усилитель класса D? Каковы особенности усилителей класса D?

Цифровой усилитель мощности звука →

Усилители класс D

QSC PL340 – это профессиональный усилитель мощности класса H серии PowerLight 3 от компании QSC. Он обеспечивает нужную мощность для наиболее популярных АС, используемых в увеселительных местах, а также для продакшн-студий. Как правило, рекомендуется использовать усилитель с необходимой программной выходной мощностью или удвоенной номинальной RMS.

Оконечный усилитель QSC PL340 STABO →

Усилители класс D

Усилитель Yamaha A-S1100, полностью унаследовавший превосходный характер эмоционального и динамичного звучания от Yamaha. Этот высококлассный однотактный интегральный усилитель особой конструкции достоверно раскроет весь внутренний потенциал вашего любимого проигрывателя или цифро-аналогового преобразователя

Усилитель мощности Yamaha A-S1100 →

Усилители класс D