Site Loader

Содержание

Как работает усилитель класса D

Усилители класса D начали массово использоваться в Hi-Fi лет 30 (или даже больше) назад. И все это время их конструкция и параметры совершенствовались. Эволюция этой технологии постепенно привела к тому, что, качество звука усилителей данного класса стало как минимум не хуже конструкций более традиционного для Hi-Fi класса A/B — разумеется, если разработчики правильно применяют данную технологию. Что ж, давайте поближе познакомится с усилителями D-класса.

По порядку рассчитайся!

Начнем с того, что буква D в названии этих усилителей выбрана исключительно как следующая по алфавиту после A, В и C, которыми были обозначены классы усилителей по мере их разработки. Но, если различия между первыми тремя хотя и значительны, но в целом позволяют отнести их к одному общему виду с точки зрения схемотехники, то класс D – это совсем другой «зверь».


Как мы помним, в классах A, B, A/B и C выходные каскады усилителей имеют дело с непрерывным сигналом, и при их работе та или иная часть энергии от источника питания расходуется впустую (то есть в тепло). Как следствие — необходимость использования пассивных или активных устройств для охлаждения, а также блоков питания с избыточной мощностью. Что вполне логично приводит к увеличению размеров и веса таких усилителей. Кстати, именно из-за непрерывного режима работы усилители перечисленных классов обычно называют «линейными», и для их обозначения мы также для краткости воспользуемся этим термином.


При разработке усилителей класса D было решено придумать схему, в которой бы вся (ну или почти вся) энергия блока питания преобразовывалась в выходной сигнал, подаваемый на колонки. И этого удалось достичь, переведя усилитель из линейного режима работы в импульсный. На первом рисунке показана упрощенная схема усилителя класса D. В принципе, у этой схемы есть определенное сходство с двухтактными усилителями линейного класса, и даже использование на выходе так называемых полевых МОП-транзисторов не является чем-то необычным. Применение в усилителях класса D именно таких транзисторов является принципиально важным, так как только они обладают необходимым быстродействием для передачи импульсного сигнала. Оптимальный КПД такого усилителя был бы достигнут, если бы его выходные транзисторы могли переключаться мгновенно, то есть находились либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии. В реальном мире таких транзисторов пока еще не существует, но даже эффективность типичного усилителя класса D почти в два раза превышает эффективность схемы A/B-класса — более 90 процентов против примерно 50-ти.

Модуляция по широте

Ключевым же (в прямом и переносном) смысле схемы усилителя класса D является компаратор. Компаратор — это электронный «кирпичик», который имеет два входа: назовем их входом A и входом B. Когда напряжение на входе A выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение. Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение.


На рисунке 2 показано, что делает компаратор в усилителе класса D. На один вход (вход A) подается сигнал, который нужно усилить (линия синего цвета). На другой вход (вход B) поступают треугольные импульсы фиксированной частоты от специального задающего генератора (красная линия). В тот момент, когда уровень входного сигнала превышает уровень сигнала с генератора, выходной сигнал компаратора становится положительным. Когда входной сигнал оказывается ниже уровня «треугольника», выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которых пропорциональна уровню сигнала в каждый момент (нижний график). Все просто, не правда ли? Теперь вы знаете, что такое широтно-импульсная модуляция или ШИМ — именно она чаще всего и используется в усилителях класса D.

Далее, выходной сигнал фильтруется для удаления помех и сглаживания формы, и подается на колонки, для работы которых он уже не будет ничем отличаться от получаемого с обычных линейных усилителей.


Чем чаще, тем лучше

Важно понимать, что чем выше частота импульсов задающего генератора, тем более детальным будет звучание усилителя. Например, если эта частота составит 300 кГц (что примерно в 15 раз выше самой высокой звуковой частоты), то усилитель класса D уже можно отнести к Hi-Fi. Динамический диапазон его звука и отношение сигнал / шум также зависят от частоты задающего генератора — чем она выше, тем лучше. Однако недостатком увеличения этой частоты является то, что с ее ростом усилитель класса D будет становиться менее эффективным, то есть будет терять принципиальное преимущество перед линейными схемами.


Конструкция усилителя Pro-Ject MaiA – без компромиссов

Еще один момент заключается в том, что схема класса D – это все-таки не вечный двигатель и для того, чтобы развить высокую выходную мощность, такому усилителю нужен соответствующий блок питания. Да, его энергия будет использоваться гораздо более эффективно, чем в линейных усилителях, но тем не менее мощность блока питания усилителя класса D должна немного превышать показатель его выходной мощности. А с ростом частоты задающего генератора потребляемая усилителем класса D энергия также будет расти.

Ограничения класса D

Если бы класс D был идеальным, то такие усилители уже полностью захватили бы мир Hi-Fi. Но, как и у любой другой технологии, у класса D есть свои недостатки. Пожалуй, можно начать со значительного уровня помех, которые способны генерировать подобный усилитель. И «простым» экранированием его схемы задачу по их устранению не решить — излучателем помех является акустический кабель, если из выходного сигнала не полностью удалены импульсы, вносимые генератором. За удаление этих помех отвечает фильтр на выходе усилителя, и именно от правильности его расчета и исполнения зависит качество звучания усилителя класса D.

Вторая проблема класса D напрямую связана с первой. Выходной фильтр на выходе такого усилителя пассивный, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, а значит, рассчитан на подключения определенного сопротивления. А мы уже знаем, что сопротивление колонок, указанное в их паспортных данных — например, 8 Ом — является величиной непостоянной, меняющейся в зависимости от частоты сигнала. Это сопротивление (точнее, импеданс, а значит еще и импеданс и емкость) подключенных колонок значительно влияет на параметры фильтра, снижая его эффективность.

И, в-третьих, усилитель класса D имеет относительно низкий коэффициент демпфирования нагрузки. Коэффициент демпфирования — это отношение импеданса громкоговорителя к выходному сопротивлению усилителя (на самом деле все гораздо сложнее, но пока не будем погружаться в частности) Проще говоря, это мера того, насколько хорошо усилитель может контролировать движение диффузоров динамиков колонок. Хороший усилитель не просто двигает диффузор вперед и назад, а контролирует его перемещение по всей траектории. Для этого и необходим высокий коэффициент демпфирования.


Новый усилитель Pro-Ject Stereo Box DS2 удваивает выходную мощность при переходе с 8 на 4-Омную нагрузку

Нет предела совершенству

Совершенствование технологии усилителей класса D привело не только к улучшению их звучания, но и упрощению конструкции, в том числе и за счет появления ряда специализированных микросхем. Как и обычно в Hi-Fi, по-настоящему качественный усилитель класса D нельзя сделать дешевым, однако есть много устройств, где данная технология реализована буквально «за копейки». Фактически из преимуществ данной технологии в них остаются только значительная выходная мощность при миниатюрных размерах (и то в сочетании с не самой высокой надежностью), но о качестве звука там можно забыть. К сожалению, многие меломаны, услышав такие усилители, в дальнейшем считают подобное звучание характерным для всех моделей класса D. Но к счастью, на рынке есть компании, чьи D-усилители как минимум не уступают, а то и превосходят по качеству звука сравнимые по цене аппараты, выполненные по классическим линейным схемам, одновременно являясь более компактными и мощными. Как знать, может быть это и есть будущее Hi-Fi индустрии?

При подготовке публикации использовались материалы с сайта: https://www.soundonsound.com/techniques/what-class-d-amplification#top


Усилитель класса Д, специфика, задачи и преимущества цифровых технологий

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

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

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

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

История развития цифрового усилителя D класса

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

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

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

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

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

Плюсы типа усилителя класса D

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

Автоусилитель Helix P Six DSP MK2

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

Возможные проблемы усилителя класса D

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

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

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

Автомобильный усилитель AudioBeat PA 1.300

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

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ УСИЛИТЕЛЯ Д КЛАССА ( Цифровые)

Импульсные усилители класса D (их, кстати, иногда называют цифровыми, хотя на самом деле технически это не очень корректно, в цифровую форму там ничего не переводится).

 Первым делом аналоговый входной сигнал (то есть обычный непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой) преобразуется в импульсный (сигнал с постоянной амплитудой, но прерывающийся). Причем длительности следующих друг за другом импульсов и пауз между ними будут разными, но самое главное — они будут в строгой зависимости от входного сигнала. Например, выше амплитуда входного сигнала — импульсы длиннее, ниже амплитуда — импульсы короче. Это называется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Теперь полученный импульсный сигнал нужно усилить, и делается это точно так же, как и в обычных усилителях. И тут может возникнуть вопрос: а зачем вообще было преобразовывать сигнал в импульсный, если его все равно приходится усиливать, как и в обычном усилителе? Оказывается, смысл есть. Дело в том, что транзисторы в этом случае будут работать совершенно по-другому — в ключевом режиме. То есть они будут либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, без промежуточных вариантов. А ведь для такой работы, во-первых, нет необходимости подбирать транзисторы с линейной ВАХ и стараться попасть на линейный участок этой характеристики. Во-вторых (а это, собственно, следствие из первого), КПД таких усилителей может запросто вплотную приблизиться к идеалу в 100%. А ведь это показатель, недостижимый для обычных усилителей в принципе. Так что усиливаем импульсный сигнал, и радуемся, как у нас это легко получается.
Однако ж подавать такой усиленный импульсный сигнал на акустические системы, понятное дело, еще рано (как, позвольте спросить, под такой сигнал будет диффузор плясать?). Для этого нужно преобразовать его в обычную, аналоговую форму. Сделать это можно с помощью катушки индуктивности и конденсатора, которые вместе будут представлять собой LC-фильтр. Пропустив через них наш импульсный ШИМ-сигнал, на выходе мы получим усиленный сигнал, своей формой повторяющий входной.

Основное достоинство усилителей D-класса — высокий КПД. Однако есть и серьезный недостаток — частотный диапазон усилителя чаще всего бывает серьезно ограничен сверху. Именно это долгое время и было причиной применения этой технологии только в басовых моноблоках, рассчитанных исключительно на сабвуферное применение. Впрочем, с ее развитием и обычные, широкополосные усилители D-класса уже давно перестали быть экзотикой.

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).
В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

В общем что мы имеем, это не дорогой усилитель высокого класса, хотя как и во всем имеет значение его стоимость. Чем выше реализация усилителя в Д классе, тем он дороже.

Усилители класса D на микросхемах

Небольшой обзор способов построения усилителей мощности звуковой частоты класса D с использованием микросхем на различную мощность и различные технические характеристики.
На странице используются материалы журналов:
      «Радиохобби» №5 за 2000г.
      «Радиохобби» №1 за 2004г.
      «Радиохобби» №3 за 199г. 

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

      ИМС TPA005D14 фирмы Texas Instruments (ориент. цена $4,4) содержит (блок-схема на рис. 1) 2 мостовых УМЗЧ класса D с балансными входами (LINP/LINN, RINP/RINN), развивающих на 4-омной нагрузке по 2 Вт (до 5 Вт пиковой; LOUTN/LOUTP, ROUTN/ROUTP) при коэффициенте гармоник до 0.4%, а также 2 УМЗЧ класса АВ для головных телефонов (входы HPLIN/HPRIN, выходы HPLOUT/ HPROUT), развивающих по 50 мВт на нагрузке 32 Ома при коэффициенте гармоник до 0,05%. Все характеристики гарантируются при напряжении питания 5 В, что делает ИМС очень привлекательной для устройств с автономным питанием. На рис.2 дано сравнение потребляемого тока в функции выходной мощности для ТРА005 (нижний график) и аналогичного по мощности усилителя класса АВ (ИМС ТРА0202, верхний график), из которого видно, что при мощности 1-2 Вт срок жизни батарей продлевается в 2-3 раза. График зависимости КПД от выходной мощности приведен на рис.3. Встроенный задающий генератор RAMP GENERATOR (рис.1 ) рабо-тает на частоте 150 — 450 кГц (задается внешним конденсатором на выводе 48 — Cose), обычные 400 для современных здо ИМС УМЗЧ системы защиты от перегрева и перегрузки системой отключения при снижении питающего напряжения.             Рекомендуемая схема включения приведена на рис.4. Если нет необходимости применять балансные входы, то LINN и RINN можно оставить «в воздухе». Низкий ло-гически и уровень на вхо-дах MUTE и SHUTDOWN приводит соответственно к приглушению и отключению (в последнем случае потребляемый ток снижается до 0,2 мкА). Напряжение на входе MODE управляет включением основного усилителя (MODE = 0) с одновременным приглушением телефонного и наоборот (MODE =1). Логические уровни на выводах FAULT можно использовать для диагностики: FAULTO=FAULT1=1 со-ответствуют нормальной работе, FAULTO=FAULT1=0-TepMo-защита включена, FAULTO=0/FAULT1=1 — напряжение пита-ния ниже допустимого, FAULTO=1/FAULT1=0 — перегузка вы-хода по току. Входное сопротивление основного усилителя (LINP/LINN, RINP/RINN) 10 кОм, телефонного (HPLIN/HPRIN) 1 МОм, динамический диапазон соответственно 70 дБ и 90 дБ, диапазон усиливаемых частот 20-20000 Гц (-3 дБ) у обо-их, коэффициент передачи 20 дБ. Максимальный выходной ток основного усилителя — 5А. ИМС выполнена в корпусе TSSOP48

      ИМС 10-ваттного УМЗЧ SGS-Thomson TDA7480 (цена около $1,4) выполнена в 20-выводном корпусе DIP20 (шаг 2,54 мм), также не требует внешнего радиатора и очень удобна для применения в телевизорах. Типовая схема включения приведена на рис.6, а рисунок печатной платы — на рис.7. Частота встроенного опорного генератора задается в пределах от 100 до 200 кГц резистором R4 (диапазон изменения его сопротивления — от 7 кОм для максимальной частоты до 14 кОм для минимальной).

      При максимальной выходной мощности 10 Вт на корпусе микросхемы рассеивается 1,8 Вт, что при тепловом сопротивлении 80 °С/Вт может привести к перегреву. Для предотвращения этого при постоянной работе в режиме с максимальной мощностью ИМС рекомендуется монтировать с тепловым контактом нижней поверхности корпуса и фольги печатной платы. При этом тепловое сопротивление снижается в зависимости от площади фольгированного участка в соответствии с графиком рис.8 и тепловой режим значительно облегчается (достаточна площать фольги 12 см2). Типовый коэффициент гармоник 0,1%, КПД 85%, диапазон напряжений питания ±10. ..±13 В, максимальный выходной ток 5 А, ток потребления в паузе 30 мА (в режиме Stand-By не более 3 мА; для перевода в Stand-By потенциал вывода 12 должен быть не выше 0,7 В). Входное сопротивление 30 кОм, коэффициент передачи 30 дБ, приведенное ко входу напряжение собственных шумов <12 мкВ (<8 мкВ взвеш. по кривой «МЭК-А»). Встроенный стабилизатор подавляет пульсации питающих напряжений не менее чем на 60 дБ. Встроенная термозащита срабатывает при температуре корпуса 150 °С.
      Технологические модификации описанной ИМС в корпусе Multiwatt15 (тепловое сопротивление кристалл-корпус -2,5 °С/Вт, двухрядное расположение выводов с шагом 1.27 мм) выпускаются под названием TDA7481 (выход-
      ная мощность 18 Вт) и TDA7482 (вых. мощность 25 Вт, цена около $2,5). Рекомендуемая схема включения приведена на рис.9, а рисунок печатной платы — на рис. 10.
      Напряжение питания TDA7481/82 повышены до ±25 В, а КПД 87%, ток потребления в паузе 30 мА, остальные характеристики повторяют TDA7480. Применение этих ИМС оправдано в тяжелых климатических условиях (при монтаже ИМС на радиаторах).

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

      Двухчиповое решение УМЗЧ класса D на паре LM4651N (драйвер) + LM4652TF (4 мощных МОП-ключа) разработано в 2000 году фирмой National Semiconductor специально для мощных высококачественных сабвуферов (Dolby Digital, THX и др. систем «домашнего театра»). Это конкурент описанному в Минисправочнике «РХ» №3/99 (с.34) и Суперсабвуфере «РХ» №2/00 (с.51) решению на TDA8920.

      Рекомендуемая схема включения какУМЗЧ приведена на рис. 11, а схема дополнительного активного ФНЧ (при использовании в сабвуфере) с коэффициентом усиления 20 дБ и частотой среза ок.= A/2/(2reRC1) выбирается в диапазоне 60-180 Гц под конкретную акустику.

      При изменении сопротивления резистора Rose (вывод 16 LM4651) от 0 до 15 кОм частота встроенного опорного генератора изменяется примерно от 225 до 75 кГц, fosc = 109/(4000 + Rose). Для повышения КПД частоту генератора следует выбирать поменьше (это решение оптимально для сабвуферов, верхняя граница полосы которых составляет несколько сотен Гц), а для получения линейной АЧХ вплоть до 20 кГц — побольше.
      Резистором RSCKT задается порог срабатывания защиты от к.з. выхода (10 А мин.). Конденсатор CSTRT задает время «мягкого» старта ШИМ-системы (рис. 13) при подаче питания: tSTART = 8,4 х 104 CSTRT , где емкость и время имеют размерности соответственно Ф и с.
      Выходная мостовая ступень LM4652 охвачена общей аналоговой линеаризующей ООС через ФНЧ RFLCFL (фильтрует полезный сигнал из ШИМ) и через инструментальный усилитель Feedback Instrumentation Amp с единичным усилением (преобразует парафазный сигнал в однофазный).
      В дополнение к стандартным системам защиты от к.з., токовых перегрузок и перегрева, LM4651 снабжена системами мягкого отключения при снижении напряжения питания (ниже порога ±10,5 В), а также системой защиты от ШИМ-перемо-дуляции, которая ограничивает минимальную длительность импульсов ШИМ-последовательности и предотвращает «жесткое» ограничение (рис. 14). Ее действие близко в аналоговым системам мягкого ограничения «soft clipping» и благоприятно отражается не только на надежности устройства, но и на качестве звука.


УВЕЛИЧИТЬ

      Коэффициент передачи устройства определяется выражением
      Ки = [(Rf /R1 )х (VCC /1.75)]/{1 + [(Rf /R1 )х (Rf /R2 ) х (Rfl2 / (RfM +Rfl2 ))x (VCC /7)]}, с указанными на схеме номиналами он составляет 7,5 (17,5 дБ), что при номинальном выходном напряжении 22,4 В (мощность 125 Вт на нагрузке 4 Ома) задает номинальное входное напряжение 3 В (без учета дополнительного усиления на 20 дБ фильтром рис.12).
      Система термозащиты состоит из датчика температуры, встроенного в подложку LM4652 и выдающего напряжение высокого логического уровня на выводе 4 при достижении предельной температуры 150 °С. Этот сигнал поступает на вывод 12 LM4651, прекращая генерирование управляющего ШИМ-напряжения до прекращения термоперегрузки.
      Максимальная выходная мощность на нагрузке 4 Ома достигает 170 Вт, на нагрузке 8 Ом — 90 Вт, КПД 85%, ток потребления в паузе 125 мА, в режиме STDBY17 (переключатель S1) мА. Рассеиваемая на обеих микросхемах мощность в самом неблагоприятном режиме не превышает 22 Вт, что позволяет обойтись небольшим радиатором. Типовый коэффициент гармоник 0,3 %.Напряжение питания ±11…±22 В.

      На рис. 15 показаны конструктивные размеры (в дюймах и в скобках — в миллиметрах) обеих ИМС — LM4651N (сверху) + LM4652TF (снизу).
      На рисунках приведены типовые зависимости максимальной выходной мощности от напряжения питания (рис. 16), коэффициента гармоник от выходной мощности (рис. 17, слева для нагрузки 4 Ома, справа — 8 Ом), рассеиваемой мощности и КПД от выходной мощности (рис. 18), максимальной мощности и КПД от частоты опорного генератора (рис.19), тока котребления в паузе от частоты опорного генератора (рис.20).

усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ

ЕЩЕ ОДИН ВАРИАНТ УСИЛИТЕЛЯ КЛАССА D ОТ «КИТов»

Ниже приведенный материал был взят с сайта «МАСТЕР КИТ»

      Предлагаемый набор позволит радиолюбителю собрать надежный мощный усилитель НЧ работающий в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме, обеспечивая выходную мощность 80 Вт в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт. Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера.

Технические характеристики

Напряжение питания (двуполярное)

+/-15…30 В

Типовое

+/- 25 В

Пиковое значение выходного тока

8 А

Ток в режиме покоя

50 мА

Ток в режиме ST-BY

0,5 мА

Максимальная электрическая выходная мощность (стерео)
при Кг=0.5%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом

65 Вт

Максимальная электрическая выходная мощность (стерео)
при Кг=10%, Uп= +/-27 В, Rн=4 Ом

80 Вт

Максимальная электрическая выходная мощность (мост)
при Кг=0.5%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом

120 Вт

Максимальная электрическая выходная мощность (мост)
при Кг=10%, Uп=+/- 25 В, Rн=8 Ом

140 Вт

Коэффициент усиления (стерео), Au

30 дБ

Коэффициент усиления (мост), Au

36 дБ

КПД

94 %

Диапазон воспроизводимых частот

20-20000 Гц

Размеры печатной платы

62×73 мм

 

Описание работы модуля

      Принцип работы усилителя класса D (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте), ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция — ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме. Это позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя.

      Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте Fраб = 360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема DA1 содержит два идентичных канала формирования сигнала, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом на DA2.

      Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1 (+), Х2 (общий) и Х3 (-).

      В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN1), Х2 (+IN1) и Х3 (-IN2), Х4 (+IN2). Нагрузка подключается к Х5 (-OUT2), Х6 (+OUT2) и Х7 (-OUT1), Х8 (+OUT1).

      В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN), Х2 (+IN) или Х3 (-IN), Х4 (+IN). Нагрузка подключается к Х8 (+OUT) и Х5 (-OUT).

      Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть, а перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.

      Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть, а перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки микросхемы DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.

      Переключатель SW1 предназначен для управления режимом работы усилителя (ON/MUTE/OFF). При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл).

Конструкция

      Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита с размерами 62×73 мм. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого имеются монтажные отверстия по краям платы под винты диаметром 2,5 мм.

      Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод (в комплект набора не входит). Поскольку КПД УМ составляет 94 % — тепловые потери минимальны даже на максимальной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС. Между корпусом микросхемы и радиатором необходимо установить диэлектрическую теплоизоляционную прокладку.

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

Принципиальная схема УМЗЧ класса D УВЕЛИЧИТЬ

      При самостоятельной сборке рекомендуется воспользоваться печатными платами, черетежи которых приведены ниже, поскольку усилитель весьма капризен к разводке проводников.

ОПИСАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ В РАДИОХОББИ №1 за 2004г.

Григорий Ганичев

г. Москва

Мощный УНЧ класса “D” 140 Вт или 2х80 Вт

      Эта статья посвящена мощному усилителю НЧ работающему в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме обеспечивая выходную мощность 80 Вт (4 Ом) в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт (8 Ом). Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера. УМ обладает высокими эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью, простотой в изготовлении/подключении и оптимальным соотношением цена/качество, что на сегодняшний день является немаловажным фактором. Собрать устройство можно из набора МАСТЕР КИТ NM2045 .

      Принцип работы усилителя класса “D” (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте) ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция — ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием ПТ работающих в ключевом режиме, что позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя. Блок-схема такого устройства приведена на рис.1.

Рисунок 1. Блок-схема усилителя класса “D”

      Фирма Philips выпустила набор микросхем, позволяющих реализовать данный схемотехнический принцип и построить высококачественную усилительную систему класса “D”. Этот набор состоит из двух ИМС – микросхемы драйвера (TDA8929T) и микросхемы мощного ключевого оконечного каскада (TDA8927J). Микросхема драйвера выпускается только в корпусе с планарными выводами и содержит два идентичных канала формирования ШИМ сигнала, генератор несущей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом. Микросхема оконечного каскада выпускается в выводном корпусе типа DBS17P и содержит два идентичных ключевых УМ. Эту ИМС при умеренных нагрузках совсем не обязательно устанавливать на радиатор – поскольку КПД всей системы составляет около 95% и выделяемая тепловая мощность крайне мала. Используя эти микросхемы можно построить двухканальный УМ развивающий мощность 80Вт в каждом канале на нагрузке 4 Ом, или мостовой одноканальный усилитель. При этом мощность на нагрузке возрастет в 4 раза.

      Перед специалистами МАСТЕР КИТ была поставлена, и успешно решена задача по подготовке технической документации и выпуску такого УНЧ для использования в Hi-Fi звуковой технике.

      Радиолюбители сами могут развести печатную плату, однако нужно учитывать, что это очень ответственная и серьезная работа. Не все знают, что, например, неправильная трассировка печатных проводников в мощном усилителе, может в десятки раз увеличить уровень его нелинейных искажений или даже сделать вообще неработоспособным. Поэтому для разработки печатных плат привлекались профессиональные конструкторы, специализирующиеся в этой области.

Таблица 1. Технические характеристики

Напряжение питания (двуполярное)

+/- 15 — 30 В

Напряжение питания (двуполярное) типовое

+/- 25 В

Пиковое значение выходного тока

8 А

Ток в режиме покоя

50 мА

Ток в режиме ST-BY

0,5 мА

Выходная мощность (стерео) при Кг = 0.5%, Uп = +/- 27 В, Rн = 4 Ом

65 Вт

Выходная мощность (стерео) при Кг = 10%, Uп = +/- 27 В, Rн = 4 Ом, мост

80 Вт

Выходная мощность (стерео) при Кг = 0.5%, Uп = +/- 25 В, Rн = 8 Ом

120 Вт

Выходная мощность (стерео) при Кг = 10%, Uп = +/- 25 В, Rн = 8 Ом

140 Вт

Коэффициент усиления, Au

30 дБ (стерео)

Коэффициент усиления, Au

36 дБ (мост)

КПД, %

94

Диапазон воспроизводимых частот

20 — 20000 Гц

Размеры печатной платы

62×73 мм

Описание работы

      Принципиальная электрическая цифрового усилителя показана на рис.2. Перечень элементов дан в табл.1.

      Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте Fраб=360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема содержит два идентичных канала формирования, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным ключевым каскадом на DA2.

      Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1(+), Х2(общий) и Х3(-).

      В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х4(-IN1), Х5(+IN1) и Х6(-IN2), Х7(+IN2). Нагрузка подключается к Х10(-OUT1), Х11(+OUT1) и Х8(-OUT2), Х7(+OUT2).

      В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х4(-IN), Х5(+IN) или Х6(-IN), Х7(+IN). Нагрузка подключается к Х11(+OUT) и Х8(-OUT).

      Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть. А перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.

      Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть. А перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.

      Переключатель SW1 предназначен для управления режимом ON/MUTE/OFF усилителя. При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл).

Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная усилителя

Таблица 2. Перечень элементов усилителя

Позиция

Номинал

Кол.

С1*…C4*, С7*…C10*, С23*…C25*, С27*, C29*, C32*

0,22 мкФ, SMD элемент, размер 0805

14

С5, С6

2200 мкФ/50 B

2

С11, С12

47 мкФ/35 B

2

С13, С15, С16, С22, С36, С37

0,47 мкФ

6

С14, С19, С40, С41

1000 пФ

4

С17, С18, С38, С39

0,22 мкФ

4

С20, С21

330 пФ

2

С26

180 пФ

1

С28*, С30*

0,015 мкФ

2

С31, С33, С34, С35

560 пФ

4

DA1

TDA8929T

1

DA2

TDA8927J

1

DA1

7805

1

L1…L4

Murata BL01RN1-A68

4

L5, L6

30 мкГн

2

R1, R2, R4, R6, R8, R9

10 кОм

6

R3, R5

39 кОм

2

R7

27 кОм

1

R10

1 кОм

1

R11

200 кОм

1

R12…R15

5,6 Ом

4

R16, R17

24 Ом

2

VD1

5,6 В

1

VD2

7,5 В

1

Клеммный зажим

двойной

4

Клеммный зажим

тройной

1

Штыревой разъем

двойной

1

Штыревой разъем

тройной двухрядный

1

Перемычка

съемная

3

 

Конструкция

      Внешний вид устройства показан на рис.3, печатная плата на рис.4, расположение элементов на рис.5.

      Конструктивно усилитель выполнен на двусторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого предусмотрены монтажные отверстия по краям платы под винты 2.5 мм.

      Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод. Поскольку КПД УМ составляет 94% — тепловые потери минимальны даже на умеренной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС.

Рисунок 3. Внешний вид усилителя

Рисунок 4. Печатная плата усилителя

Рисунок 5. Расположение элементов на печатной плате усилителя

(вид сверху/снизу)

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

      Не хочу показаться сильно умным, но на лицо явное противоречие — в начале статьи красиво изъясняется почему DA2 не надо на теплоотвод, а в конце — подробности о том как это надо делать. В моем понимании, то дело обстоит так: если завод-изготовитель предусмотрел теплоотводящий флянец на микросхеме, то это совсем не потому что у них медь девать некуда, следовательно теплоотвод нужен обязательно и легенды о том, что при 94% КПД он не нужен пусть останутся для делитантов. А вот о размере теплоотвода можно и поумничать, типа действительно для таких мощностей площадь охлаждения очень крохотная.
   
   

Мощный 2×50 Вт импульсный УНЧ класса D
Philips TDA8920

     TDA8920 содержит два независимых УНЧ мощностью по 50 Вт, отличающихся высоким КПД (не менее 90%), низкими нелинейными искажениями и потребляемым током. ИМС может быть сконфигурирована как:
     • монофонический мостовой УНЧ с максимальной выходной мощностью 190 Вт, рис. 1
     • стереоусилитель мощностью 2×50 Вт, рис.2.
В обоих случаях подразумевается нагрузка 8 Ом. Каждый из усилителей имеет дифференциальные входы.
Усилители могут работать в трех режимах, управляемых потенциалом U|7 на выводе 17 относительно общего провода (MODE):
     • энергосберагающем (Standby, 0< UI7<1B). Типовый потребляемый ток в этом режиме 0,2 мкА
     • приглушение (Mute, 2В < UI7 < 3В). Усилитель в рабочем состоянии, но звуковой сигнал на выходе отсутствует. Типовый потребляемый ток совпадает с током в режиме молчания и не превышает 50 мА
     • нормальная работа (On, 4В < U|7 < 5,5В).
Для исключения «хлопка» при включении усилитель принудительно удерживается примерно 500 мс в режиме приглушения, в течение этого времени все переходные процессы заряда конденсаторов заканчиваются.
     На выходе ИМС формируется ШИМ-напря-жение с частотой повторения 500 кГц, среднее значение которого соответствует аналоговому звуковому сигналу. Пассивные LC ФНЧ второго порядка подавляют несущую частоту таким образом, что на акустическую систему приходит уже практически чистое звуковое напряжение. Частота генерации задается внешним резистором R05C, включенным между выводами OSC и SGND и может быть оценена по формуле Fosc = 5 • 103/ROSC- Предусмотрена синхронная работа нескольких микросхем на одной частоте, для этого достаточно соединить выводы OSC всех параллельно работающих ИМС (на них присутствует напряжение амплитудой 1,75 В от пика до пика).

     ИМС имеет три встроенные системы защиты
     • от перегрева (при температуре перехода Tj > 150 °С автоматически переходит в режим приглушения до охлаждения)
     • от статического электричества (модель «человека» — 3000 В) защищены все выводы
     • от перегрузки по току и КЗ выхода. Максимальный выходной ток «по умолчанию» равен 7А и может быть уменьшен до значения lo,ma = 7 • 104/(Ю4+ RL|M), [А] внешним резистором RL|M (см. рис.1 и рис.2).
Основные параметры;
     • напряжения питания ±15…±30 В
     • коэффициент усиления 36 дБ (моно-мостовой), 30 дБ (стерео)
     • входное сопротивление > 80 кОм
     • напряжение шума на выходе < 100 мкВ
     • коэффициент подавления пульсаций питающих напряжений > 60 дБ
     • разделение между каналами > 50 дБ
     • максимальная рассеиваемая мощность 60 Вт
     • напряжение смещения нуля на выходе < 50 мВ
     • коэффициент гармоник 0,1% (1 кГц), 0,2% (10 кГц, 1 Вт)
     TDA8920 выпускается в двух конструктивных вариантах — 17-вы-водном SOT243 (TDA8920J, рис.3) и 20-выводном SOT418 (TDA8920TH, рис.4) для монтажа на поверхности, оба изображены справа в натуральную величину. Рекомендуемые области применения — УНЧ высококачественных телевизоров, систем Домашнего Театра, а также мультимедийные системы.

           Кстати сказать, Турута говорит, что в двухканальном варианте она может на 4Ома работать. Теоретически вроде как мысль верная, однако на практике мы еще не пробовали. А Вы?

Микросхема TDA8920 выпускается в двух корпусах:

Рисунок 3

Рисунок 4

Стерео усилитель класса D 2*20Вт XY-P15W Bluetooth 5.0

Номер товара: 44606

Уведомить о поступлении

Нет в наличии

Доставка по РФ от 3 дней и от 150 ₽

Хочу, чтобы менеджер оформил мой заказ:

Нажимая на кнопку «Позвоните мне!», я даю согласие на обработку персональных данных.

  • Описание товара
  • Характеристики
  • Отзывы
  • Наличие в магазинах г.Омска

Описание товара

СТЕРЕОУСИЛИТЕЛЬ XY-P15W 2*20ВТ С BLUETOOTH 5,0 КЛАСС D, ПИТАНИЕ 8-24В
Рабочее напряжение: DC: 8 ~ 24 В
Версия Bluetooth: 5.0
Расстояние передачи: 15 метров (визуально беспрепятственно)
Количество каналов: два канала (стерео)
Выходная мощность ( 1 кГц):
20 Вт * 2 при 20 В 8 Ом
Адаптер динамика (30 Вт ~ 150 Вт):
8 Ом (источник питания 8 ~ 24 В)
Механизм защиты модуля: защита от обратной мощности
Защита от короткого замыкания: самовосстановление защиты от перегрева
Усилитель из высококачественных компонентов и материалов, отличается высокой производительностью и невысокой стоимостью, особенно для HIFI музыкального усилителя с высокой мощностью и высокой точностью. Вес всего 10 грамм! Не допускается превышение напряжения питания свыше 26В.
Версия bluetooth 5,0, обеспечивает более высокую эффективность передачи сигнала, увеличенное расстояние передачи, меньшее время задержки.
Механизм защиты усилителя: защита от обратной полярности включения питания; защита от короткого замыкания; самовосстановление защиты от перегрева.
Не забывайте ставить по питанию электролитические конденсаторы на 4700-10000 мкФ на напряжение больше чем напряжение питания усилителя, и параллельно включенные керамические конденсаторы на 0,47-1,5мкФ.
Подключите питание к плате усилителя, подключите к динамикам, поверните ручку регулятора громкости, после щелчка включения загорится синий светодиодный индикатор. Включите настройки телефона — bluetooth — поиск «XY-P15W», и затем нажмите на телефоне кнопку подключения, после успешного подключения, будет звук подсказки «ding dong», соединение bluetooth установлено, можно воспроизводить звук с телефона. В следующий раз усилитель мощности будет автоматически подключаться обратно к телефону.

Характеристики

АртикулXY-P15W
Страна производительКитай
УпаковкаКоробка
Вес с упаковкой до100 гр
Габарит высота16 мм
Габарит длина92 мм
Габарит ширина68 мм
Мощность 120 Вт, W
Гарантия 1 месяц

Отзывы

Наличие в магазинах г.Омска

Товара нет в наличии

С этим товаром покупают

Похожие товары

Усилитель мощности звука на 1000 ватт

Представляем полностью цифровой усилитель НЧ класса D на мощность обеих каналов 1000 Вт. Корпус был взят от предыдущих проектов не слишком устраивавших по работе усилителей. Инвертор также используемая из предыдущих проектов, только эта версия была улучшена. Управление на SG3525 скопировано и чуть модифицировано с автомобильного усилителя Grundig PA240 + управляющий трансформатор и транзисторы. Блок питания 2×75 В, постоянная мощность выхода 1100 Вт и сердечник ETD49 прекрасно делают свое дело. Все работает с частотой 60 кГц. Полумостовая топология.

Схема УНЧ на 1 кВт класс D

Модули УМЗЧ класса D сделаны в соответствии с имеющимся проектом IRAUDAMP 9 (скачать полную документацию), плюс внесены минимальные изменения. Три пары транзисторов IRFP4332 на канал работают с тактовой частотой 300 кГц. DT 105 нс. Основа усилителя — IRS2092 + TC4420. Дроссель БП в феррите, индуктивность 22uH / 30A.

Модули будут выдавать 2500 Вт / 2 Ом при 10% и напряжении питания +/- 95 В постоянного тока, при тестах удалось выжать 1800 Вт, измеренные на динамиках.

Использовались популярные и эффективные средства защиты из серии биполярных усилителей. Те же схемы в модулях класса D имеют защиту от короткого замыкания и постоянного тока, также сделано дополнительное отключение этих защит на реле. За стандартной защитой находится ограничитель стартового тока, плавный запуск.


Самое приятное то, что весь усилитель имеет целых 14 предохранителей, чтобы избежать возгорания печатной платы в случае форс-мажора. Охлаждение, инвертор и модули имеют принудительное охлаждение, включающееся после достижения температуры 50C, но модули УМ при работе не нагреваются, а инвертор достигает максимальной температуры всего 40С.

Если подвести итоги общего времени на проект — это, вероятно, будет целая рабочая неделя. Спасло то, что не было серьезных проблем с запуском. После тщательной проверки и старта усилитель заработал сразу. Устройство при скачках с сетевым напряжением питания, то есть выше 250 В или ниже 200 В переменного тока, отключается. Если в громкоговорителе имеется короткое замыкание или перегрузка, усилитель также отключится, после его необходимо перезапустить с помощью переключателя.

Технические параметры УМЗЧ D класса

  • Непрерывное энергопотребление 1240 Вт при 228 В переменного тока.
  • Общая эффективность 84% (преобразователь имеет 89%).
  • Заявленная выходная мощность 2×500 Вт / 4 Ом RMS.
  • Мощность подается на оба канала 1050 Вт.
  • Минимальная нагрузка 2х2 Ом.

Все тестировалось с использованием среднеквадратичных измерителей и осциллографа, резистор 4 Ом 150 Вт. Напряжение 2×75 в режиме ожидания. Под нагрузкой оно падает до 65 В постоянного тока.

Что касается охлаждения, то воздух поступает через соответствующие. Вентиляторы никогда не включались и не включатся. Они только на тот случай, если УНЧ работает, например, в жаркую погоду на солнце. Раньше были модули класса AB, и здесь нужен был вентилятор. Самым нагревающимся элементом является выходной дроссель, он достигает постоянной температуры около 100С независимо от того, работает ли усилитель на полную мощность или стоит без сигнала.

Звучание усилителя и итоги работы

Конечно у большинства аудиофилов свои мнения и вкусы. Скажем лишь одну вещь от себя: по сравнению с классами AB и H, класс D имеет более линейный и детальный звук. Бас быстрый и динамичный, центр ровный, но ВЧ выше 10 кГц кажется затухающими. Мощность есть, контроль очень хороший.

Проект полностью оправдал ожидания. Единственным слабым звеном в целом является блок питания, если бы он был по мощнее, на выходе снималось бы и 2 х 1500 Вт. В настоящее время ведутся работы над новой версией блока питания мощностью 2 кВт, который в настоящее время несколько не вписывается в заданный размер.

Этому проекту, вероятно, 5 лет, и он все еще работает нормально. Было продано около десятка таких самодельных УМЗЧ, и они тоже работают. Регулярно этот импульсный усилитель с оконечником ADS LX 2000 берут для специальных мероприятий и концертов. Усилитель весит чуть более 5 кг. Для сравнения, тот же ADS LX 2000 весит около 30 кг, так что преимущества D класса налицо.


У истоков усиления в классе D

Датская компания ICEpower была основана в 1999 году как совместное предприятие с широко известным производителем элитной аудио- и видеотехники Bang & Olufsen. На сегодняшний день бренд ICEpower хорошо известен во всем мире, в том числе и в России. ICEpower — динамично развивающаяся компания, являющаяся лидером в создании современных усилителей, работающих в классе D. Рекордная производительность, высокая плотность передачи акустической энергии и энергоэффективность — три составляющих успеха ICEpower на рынке.

Основа усилителей ICEpower — аналого-цифровое ядро собственной разработки, выполненное в форм-факторе отдельной микросхемы. Компания имеет десятки патентов на оригинальные решения в области обработки аудиосигнала. Продукция ICEpower отлично зарекомендовала себя во множестве совместных с грандами индустрии проектов. Клиентами и партнерами ICEpower являются такие известные компании, как Bang & Olufsen, Asus, Bowers & Wilkins, Pioneer, Alpine, Samsung, Audi и др.

Технологии

Отличительная особенность компании ICEpower — новаторский подход к разработке усилителей класса D. В ее усилителях осуществляется обработка аналогового сигнала, отсюда и название технологии ICEpower — «аналоговый класс D» (analogue Class D) или «аналоговое переключение» (analogue switching). В отличие от обычной техники получения ШИМ-сигнала при помощи генератора треугольных импульсов, в технологии ICEpower используется автогенератор, охваченный множеством обратных связей, что обеспечивает стабильно высокое качество звука вне зависимости от характеристик нагрузки. Ключевые технологии ICEpower называются COM/MECC, НСОМ и DualLoop3. Включение в систему обратной связи сигнала непосредственно с выхода усилителя (после фильтра) позволяет добиться чрезвычайно низкого выходного импеданса и приводит, в частности, к очень точной проработке низкочастотного спектра, даже лучшей, чем достигается в классе AB.

В большинстве случаев усилители ICEpower интегрируются с высококачественным импульсным источником питания ZVS/ZCS собственной разработки. Тем самым для проектировщиков аудиосистем снимается ряд проблем, связанных с выбором или созданием подсистемы питания усилительной части.

Продукция

ICEpower выпускает законченные модули мощных высококачественных аудиоусилителей, выполненные в форм-факторе печатных плат. Типовая плата включает специализированный процессор в виде интегральной микросхемы ICEpower, силовые ключи, конденсаторы, фильтры и другие дискретные компоненты, а также сетевой источник питания. Компания делает усилители с различным числом каналов и широким диапазоном выходной мощности.

Усилители ICEpower характеризуются исключительным качеством и верностью звуковоспроизведения, высокими значениями удельной мощности и КПД, а также малыми габаритами и массой. Это определяет их повсеместное использование в области профессионального аудио и в потребительском сегменте Hi-Fi. Ассортимент выпускаемых усилителей позволяет разработчику или системному интегратору быстро получить конечное решение с необходимым числом каналов усиления и требуемой выходной мощностью, с мостовой или полумостовой конфигурацией выходных каскадов.

Семейства усилителей ICEpower оптимизированы для определенного круга конечных изделий. Серии A и ASP будут отличным выбором для построения мощных усилителей или активной акустики для концертных залов. Серия ASX2 оптимальна для стереофонических усилителей в потребительском сегменте аудиотехники Hi-Fi. Усилители серий 150ASH7 и ICEmatch прекрасно подойдут для домашнего кинотеатра и других многоканальных решений.

Серии A и ASP

Высокая надежность работы и отличная стойкость к механическим и вибрационным воздействиям в сочетании с большой выходной мощностью выгодно отличают это семейство на рынке профессионального звуковоспроизведения, в том числе и для автомобильного сегмента.

Серия A включает модули мощностью 250, 500 и 1000 Вт, которые требуют питания ±12 В и отдельного питания выходного каскада. На платах имеются логические входы выключения звука (MUTE) и переключения в режим ожидания (STANDBY), также возможно подключение монитора для контроля работы. Усилители оснащены балансным входом, оптимизированным для дифференциального сигнала.

Серию ASP образуют усилители мощностью 250, 500 и 1000 Вт со встроенным источником питания от сети 110 / 220 В, который может снабжать энергией дополнительные каналы усиления, построенные на модулях серии A или серии АС. Каналы усилителей серии ASP фактически аналогичны усилителям серии A соответствующей мощности. При этом каждый модуль ASP также обеспечивает питание ±12 В.

Сочетание серий A и ASP обеспечивает гибкий модульный подход к разработке конечного продукта. Это упрощает разработку целой линейки конечных изделий, начиная с обычного усилителя для сабвуфера и заканчивая трехканальной активной акустической системой. Основные области применения устройств серий А / ASP — активные колонки для студий и концертных залов, активные сабвуферы, стереофонические усилители большой мощности.

Серия ASC

Модули 200ASC, 200AS и 200SC представляют бюджетную серию компании ICEpower, имеющую сбалансированные характеристики по мощности и качеству звуковоспроизведения. Они предназначены для работы в сабвуферах, внешних усилителях для электромузыкальных инструментов (комбиков), в активных акустических системах широкого назначения, а также в системах озвучивания помещений и залов. Усилители семейства ASC имеют относительно низкую стоимость, что делает их привлекательными для построения оконечных высококачественных аудиосистем.

Модуль 200ASC содержит 200-ваттный усилитель и импульсный блок питания мощностью 310 Вт. Кроме основного выхода 47 В для снабжения энергией усилителя, блок питания обеспечивает дополнительное выходное напряжение 12 В, а также имеет выход для подключения дополнительных каналов усиления. 200AC — отдельная плата усилителя мощностью 200 Вт, такого же, как в модуле 200ASC. Она спроектирована специально для использования в качестве дополнительной при совместной работе с модулями 200ASC, 250ASP и 500ASP. Вход звукового сигнала дифференциальный, аналогичный серии A, диапазон напряжений питания от 22 до 50 В. 200SC — отдельный блок питания модуля 200ASC. Наличие раздельных блоков питания и усиления предоставляет разработчику дополнительные возможности по оптимизации устройства в тех случаях, когда имеются пространственные ограничения при компоновке конечной системы.

Серия ASX2

Серия ASX2 включает усилители с двумя полумостовыми каналами и встроенным сетевым источником питания. Два полумостовых выхода могут конфигурироваться в один мостовой выход. Исключение составляет усилитель 50ASX2 — для него выпускаются две версии: полумостовая 50ASX2SE и мостовая 50ASX2BTL.

Вход усилителей этой серии — однополярный, при включении в мостовом режиме он становится балансным. Во всех моделях имеется логический вход отключения усилителя, а также логические выходы мониторов перегрева и перегрузки по току. Кроме того, присутствуют выходы нестабилизированного напряжения ±24 В с нагрузочной способностью примерно 200 мА, достаточного для построения предварительного усилителя или ЦАПа.

Интересной особенностью усилителей ASX2 является возможность перераспределения мощности между каналами путем включения ассиметричной нагрузки. При включении симметричной нагрузки ее минимальное сопротивление должно быть не менее 3 Ом, однако если на одном из каналов сопротивление нагрузки не менее 6 Ом, то на другом можно включить нагрузку 2 Ом.

Усилители серии ASX2 обеспечивают качество звучания, достойное внимания настоящих аудиофилов, и перекрывают диапазон выходной мощности от 25 до 630 Вт. Показатели удельной мощности для усилителей этого семейства достигают значений свыше 1 Вт/см3, при этом не требуется применение дополнительного теплоотводящего радиатора и экранирования. Модули ASX2 будут отличным выбором при построении высококачественного стереоусилителя, активной акустики, студийных мониторов.

Серия ICEmatch

Серия ICEmatch состоит из сетевого блока питания 400SM мощностью 400 Вт и двухканального усилителя 80AM2. Один модуль 400SM может обслуживать до восьми модулей 80AM2, предоставляя, таким образом, широкие возможности для построения разнообразных конечных устройств, от высококачественного стереофонического усилителя до многоканального студийного монитора. 400SM обеспечивает основную шину питания и каналы вспомогательных выходных напряжений +5 В, ±12 В. Кроме того, у него имеется ряд дополнительных выводов для управления режимом работы блока питания и индикации его состояния. В режиме ожидания 400SM потребляет не более 0,2 Вт.

80AM2 — законченный компактный усилитель с выходной мощностью 2 x 80 Вт в полумостовом включении на нагрузке 4 Ом и до 160 Вт в мостовой схеме включения на нагрузке 8 Ом. Аппарат оснащен балансным входом, питание силового каскада до ±36 В.

Серия ICEmatch обеспечивает пользователю расширенные возможности управления и мониторинга. Для этого модуль 400SM имеет две дополнительные шины. Одна из них предназначена для модулей 80AM2, другая — для контроля предусилителей.

Область применения устройств серии ICEmatch — многоканальные усилители, включая оборудование для домашних кинотеатров, активные акустические системы, студийные мониторы.

ICEtheater7 — идеальное решение для домашнего кинотеатра

ICEtheater7 — одна из последних разработок высококачественной аудиотехники класса Hi-Fi для профессиональных и домашних аудиосистем. Новый семиканальный усилитель выполнен на базе третьего поколения микросхем ICEpower и имеет ряд уникальных для усилителей класса D технических характеристик, например, полосу пропускания шириной 120 кГц, включая 20 кГц на полной выходной мощности, в сочетании с чрезвычайно низкими искажениями и шумами. Новаторские технологии гарантируют исключительную реалистичность воспроизведения саундтреков. Встроенный сетевой источник питания обеспечивает выходную мощность до 120 Вт на канал (при одновременной загрузке всех каналов). Усилитель имеет балансные входы с дополнительной защитой от электростатики.

Компактный низкопрофильный дизайн модулей ICEtheater открывает новые возможности в области разработки малогабаритных домашних кинотеатров и многоканальных автомобильных аудиосистем класса Hi-Fi. Общий КПД встроенного источника питания и канальных усилителей превышает 80%, что снимает традиционные проблемы с отводом избыточного тепла.

Модуль управления питанием ICExtend

Современные нормы Европейского союза требуют, чтобы электрические устройства в режиме ожидания (Standby) потребляли не более 0,5 Вт. ICExtend является решением компании ICEpower®, которое удовлетворяет данному требованию.

Модуль ICExtend представляет собой силовой интерфейс, обеспечивающий управление питанием модулей усилителей ICEpower, включая выбор необходимого напряжения сети (110 или 220 В). Кроме того, он имеет вспомогательный источник питания 5 В с выходным током до 1 А. В состоянии ожидания модуль ICExtend потребляет не более 0,2 Вт, обеспечивая при этом дополнительный канал напряжением 5 В и током до 50 мА.

Управление осуществляется при помощи реле, служащих для коммутации сетевого входа с сетевыми выходами. Модуль ICExtend способен управлять питанием трех потребителей суммарной мощностью свыше киловатта. Для предотвращения повреждения реле при коммутации сетевого напряжения предусмотрено ограничение броска тока.

Имеются три канала управления включением / выключением модуля ICExtend: триггер 12 В, триггер 3—5 В, сенсор аудиосигнала. Триггеры включают модуль по логике «исключающее ИЛИ». При наличии высокого уровня одновременно на обоих входах триггеров модуль переходит в режим ожидания вне зависимости от наличия аудиосигнала. В том случае, если на обоих входах триггеров присутствует низкий уровень напряжения, управление передается сенсору аудиосигнала, состоящему из детектора сигнала и таймера. При отсутствии аудиосигнала в течение более 13 минут сенсор дает команду на переход модуля в режим ожидания. При появлении звукового сигнала происходит включение модуля ICExtend. Для индикации состояния ICExtend имеются два регулируемых выхода для подключения светодиодов.

ICExtend совместим с усилителями серий ASX2 и ASP, а также с модулем ICEtheater7. При этом необходимо учитывать, что функция автоматического выбора напряжения сети работает только с модулями усилителей ICEpower серий ASX2 и ICEtheater7. У модулей серии ASP выбор напряжения производится посредством ручной установки перемычки в нужное положение. Модули серий ASC и ICEmatch отличаются присутствием встроенных функций энергосбережения, поэтому их совместное использование с модулем ICExtend нецелесообразно.

Дополнительную информацию об усилителях ICEpower, включая документацию, руководство пользователя, а также новости фирмы, можно найти на сайте официального дистрибьютора продукции ICEpower в России — компании «ЭФО»: www.sound-power.ru.

Редакция Hi-Fi.ru

Усилитель мощности

класса D — Новости силовой электроники

В этой статье описывается, как спроектировать простой усилитель мощности класса D с использованием высоковольтной микросхемы GreenPAK ™. Усилитель класса D работает, получая сигнал с двумя состояниями из непрерывного управляющего сигнала и усиливая его с помощью переключателей мощности. В основе каждого усилителя класса D лежит как минимум один компаратор и один импульсный силовой каскад. Во всех усилителях мощности, кроме самых дешевых, добавлен пассивный LC-фильтр.

Вот краткое изложение преимуществ и недостатков усилителя класса D по сравнению с традиционным усилителем класса AB.

Преимущество: наименьшие искажения — общее гармоническое искажение плюс шум (THD + N) составляет менее 0,1% для высокой точности.

Недостатки: неэффективность — максимально возможная эффективность составляет около 60%. Высокое энергопотребление и значительное тепловыделение. Он также больше по размеру.

Преимущества: Высокая эффективность — более 90%. Меньшее энергопотребление и меньшее тепловыделение. Меньший размер. Очень мощный потенциал (от 400 до 500 Вт) в небольшом корпусе.

Недостатки: Генерация высокочастотного шума.

В самой базовой топологии используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) с треугольным (или пилообразным) генератором. На рисунке 1 показана упрощенная блок-схема полумостового усилителя класса D на основе ШИМ. Он состоит из широтно-импульсного модулятора, двух выходных полевых МОП-транзисторов и внешнего фильтра нижних частот (L F и C F ) для восстановления усиленного аудиосигнала. Как показано на рисунке, оба полевых МОП-транзистора работают как переключатели управления током, поочередно подключая выходной узел к V DD и земле, таким образом, результирующий выход усилителя класса D представляет собой высокочастотную прямоугольную волну.Выходной прямоугольный сигнал имеет широтно-импульсную модуляцию входного аудиосигнала. ШИМ достигается путем сравнения входного аудиосигнала с внутренне генерируемым треугольным (или пилообразным) генератором. Результирующий рабочий цикл прямоугольной волны пропорционален уровню входного сигнала. Когда входной сигнал отсутствует, рабочий цикл выходного сигнала равен 50%. Рисунок 2 иллюстрирует результирующую форму выходного сигнала ШИМ из-за переменного уровня входного сигнала.

У этой базовой топологии есть несколько недостатков: очень низкий коэффициент отклонения источника питания и высокий коэффициент нелинейных искажений.Качество выходного сигнала сильно зависит от линейности и стабильности треугольной волны, что значительно усложняет схему.

Рисунок 1: Полумостовой усилитель класса D, базовая топология Рисунок 2: Ширина импульса выходного сигнала изменяется пропорционально входному сигналу

Одна из наиболее часто используемых топологий усилителей звука класса D известна как автоколебание. Автоколебательные усилители звука класса D характеризуются полосой пропускания разомкнутого контура, равной частоте переключения, в отличие от традиционных усилителей ШИМ, где полоса пропускания контура обычно ограничивается одной десятой частоты коммутации.Эта увеличенная полоса пропускания контура обеспечивает ценное усиление контура на низкой частоте, что полезно для уменьшения общих гармонических искажений (THD).

Существует несколько способов создания автоколебательного усилителя мощности класса D, например:

  • Гистерезис переключения, см. Рисунок 3.

Очевидным недостатком этой схемы является изменчивость частоты переключения в зависимости от напряжения источника питания. Незначительные изменения могут быть выполнены путем использования самой формы сигнала переключения в качестве гистерезисной обратной связи.Усилители, построенные в соответствии с этими принципами, обычно дают довольно респектабельные характеристики, что объясняет популярность такой схемы. Самая важная проблема здесь заключается в том, что минимальная ширина создаваемого импульса составляет лишь половину от ширины импульса холостого хода. Рабочая частота довольно сильно колеблется в зависимости от индекса модуляции, следуя параболе с максимумом при нулевой модуляции и достигая нуля при максимальной модуляции. Результатом является модуляция, близкая к ограничению, поскольку частота переключения пересекает звуковой диапазон.Осциллографический график (рисунок 4) выходного сигнала (предполагается, что фильтр восстановления второго порядка) является узнаваемым в этом отношении.

Рисунок 3: Топология гистерезисного переключения Рисунок 4: Выходной сигнал усилителя с гистерезисным переключением
  • Колебания, контролируемые сдвигом фазы
Рисунок 5: Топология колебаний, контролируемых сдвигом фазы Рисунок 6: Выходной сигнал усилителя колебаний с управляемым сдвигом фазы

В способе получения автоколебаний без использования гистерезиса используется фазовый сдвиг цепи обратной связи для получения стабильных автоколебаний.Усилитель будет колебаться на частоте, на которой цепь обратной связи имеет фазовый сдвиг на 180 градусов. Довольно приятной особенностью этого метода является то, что частоту переключения можно сделать гораздо более стабильной, чем с помощью модулятора гистерезиса. Теоретически минимальная ширина импульса при максимальной модуляции становится равной нулю (на практике это примерно вдвое больше задержки распространения активной электроники). Частота переключения все еще падает до нуля в процессе, но только намного позже, и к тому времени в несущей будет гораздо меньше энергии.После восстановления фильтром второго порядка амплитуда остатка остается почти постоянной. Даже при тщательном прослушивании поведение ограничения звучит неотличимо от поведения хорошего линейного усилителя.

Заметным недостатком управления фазой является то, что модуляция по своей природе нелинейна, добавляя искажения при больших индексах модуляции.

Тем не менее, эта топология обеспечивает простое недорогое решение, подходящее для большинства приложений. Конструкцию HV PAK см. В разделе 1.1 и раздел 1.2.

  • Управление фазовым сдвигом с использованием фильтра восстановления

Фазовый сдвиг фильтра восстановления обычно рассматривается как нагрузка, редко как преимущество. Фильтры второго порядка оказались очень интересными для построения усилителей с фазовым сдвигом. Следует напомнить, что частота переключения устанавливается намного выше угловой частоты фильтра. На любой достаточно высокой частоте фильтр нижних частот второго порядка производит сдвиг фазы, близкий к 180 градусам.Изменяющиеся условия нагрузки влияют на это лишь в пределах нескольких градусов.

Однако замкнуть цепь отрицательной обратной связи вокруг такого фильтра недостаточно. Колебание происходит при сдвиге фазы точно на 180 градусов (остальные 180 градусов обеспечиваются инверсией полярности), что происходит только на бесконечности. Нужна дополнительная сеть, которая удерживает фазовый сдвиг на 180 градусов ниже желаемой частоты переключения, и еще одна, которая выталкивает его намного выше этой частоты.Последний уже будет в любой практической схеме бесплатно. Комбинированные задержки распространения компаратора и силового каскада составляют фазовый сдвиг, который прямо пропорционален частоте. Первый может быть таким же простым, как сеть фазовых выводов в тракте обратной связи.

Рисунок 7: Управление фазовым сдвигом с использованием топологии фильтра реконструкции

Поскольку при любой полезной частоте колебаний фазовый сдвиг выходного фильтра составляет 180 градусов, колебания будут происходить на частоте, на которой задержка распространения и опережение фазы компенсируются.Следует позаботиться о том, чтобы при любых реальных условиях нагрузки не было второй точки с фазовым сдвигом 180 градусов, потому что эта точка наверняка будет фильтром физической резонансной частоты. В противном случае усилитель обычно выходит из строя при первом перегрузке без нагрузки. См. Рисунок 8, где H lpf — передаточная функция LC-фильтра, а H fbn — передаточная функция цепи обратной связи. Задержка (ы) — это функция линейного сдвига фазы, представляющая задержку распространения.

Рисунок 8: Фазовый сдвиг

Управление фазовым сдвигом с использованием топологии фильтра реконструкции имеет большое преимущество по сравнению с ранее описанными топологиями. Контур отрицательной обратной связи охватывает фильтр реконструкции, что позволяет полностью компенсировать любую нелинейность. Усилитель, разработанный с использованием этой топологии, способен производить чрезвычайно низкие THD + N и может конкурировать с классом AB, обладая всеми преимуществами класса D. 1

1. Проектная операция

Полный файл схемы можно найти здесь.Изготовлен с помощью программы GreenPAK Designer.

1.1. Усилитель колебаний с простым фазовым сдвигом

Построение простого усилителя колебаний с управлением фазовым сдвигом с использованием HV PAK требует минимум двух макроячеек: ACMP и HV OUT CTRL. На рисунке 10 показан проект такого устройства GreenPAK Designer. Этот усилитель представляет собой простое решение и требует меньшего количества внешних компонентов, что означает меньшую площадь печатной платы. Как видно, в этом проекте используется только один высоковольтный мост (моно).Другой может использоваться как второй канал (стерео) или для управления двигателем или соленоидом, например, в устройстве внутренней связи для блокировки / разблокировки двери. Кроме того, эта конструкция имеет функцию включения на контакте 2, который активен НИЗКИЙ. Эта схема имеет относительно высокую частоту колебаний, близкую к 680 кГц, но в данном случае это преимущество. Чем выше частота, тем меньше выходной фильтр L1, L2 и C4. На рисунке 9 показана тестовая печатная плата и ее размеры. При необходимости частоту можно уменьшить, увеличив емкость C2.

Усилитель имеет следующие характеристики:

  • Напряжение источника питания — от 3,5 В до 5 В
  • Потребление тока (без входного сигнала) — 3,2 мА
  • Ток в режиме ожидания (включение — низкий) — 0,82 мА
  • Выходная мощность (питание — 5 В, нагрузка — 4 Ом ) — 3 Вт (макс.)
  • Усиление — 20 дБ
  • Входное сопротивление — 5,6 кОм
Рисунок 9: Тестовая печатная плата. Верхний левый нижний правый Рисунок 10: Проект простого усилителя колебаний с управляемым фазовым сдвигом

Также, как упоминалось ранее, в конструкции предусмотрена возможность управления электродвигателем, соленоидом, реле или аналогичным устройством с помощью моста HV OUT CTRL1.В этом случае он сконфигурирован как два отдельных полумоста и может управляться индивидуально. PIN 20 управляет полумостом, выводимым на PIN 9, а PIN 17 управляет полумостом, выводимым на PIN 10. PIN 14 служит для включения моста (активен HIGH).

1.1.1 Конфигурация макроячейки Таблица 1: Настройки PIN-кода Таблица 2: настройки LUT Таблица 3: Настройки ACMP Таблица 4: Настройки вывода ВН

1.2 Усилитель колебаний с управляемым сдвигом фазы без выходного фильтра

Как видно из предыдущего дизайна, несмотря на небольшое количество внешних компонентов и небольшой размер корпуса HV PAK, устройство занимает значительную часть площади печатной платы.Хотя можно уменьшить размер резистора и конденсатора до 0201 (вместо 0805), за исключением R5, невозможно использовать меньшие индуктивности L1 и L2 из-за большого тока. Следующий дизайн позволяет обойти эту проблему.

В традиционной конструкции полномостового усилителя класса D на выходах моста инвертируются как высокочастотные, так и низкочастотные сигналы. Таким образом, выходной фильтр предотвращает шунтирование нагрузки высокочастотного сигнала.

Конструкция, показанная на рисунке 11, представляет собой решение, в котором высокочастотный сигнал на обоих выходах (PIN 7 и PIN 8) является синфазным, так что ток не проходит через нагрузку.В то же время звуковой сигнал на этих контактах будет инвертирован относительно друг друга.

Рисунок 11: Усилитель колебаний с управляемым сдвигом фазы без проекта выходного фильтра

В этой конструкции используется больше внешних компонентов по сравнению с предыдущей, но отсутствие двух катушек индуктивности приводит к уменьшению занимаемой площади печатной платы, см. Рис. 12.

Рисунок 12: Тестовая плата без выходного фильтра. Верхний левый нижний правый

Устройство работает так же, как усилитель, описанный в предыдущей главе, но выходы HV сконфигурированы как два отдельных полумоста.Это позволяет управлять обоими выходами независимо. Используя два ACMP для каждого полумоста, создаются два идентичных генератора, которые синхронизируются конденсатором C3. Это приводит к одинаковому (синфазному) прямоугольному напряжению на обоих выходах. Это означает, что выходные контакты могут быть закорочены, и ток высокой частоты не будет протекать.

В то же время аудиосигнал подается на противоположные входы двух ACMP. Это приводит к тому, что выходной сигнал модулируется противофазой. Таким образом, через нагрузку будет протекать только ток низкой частоты, что устраняет необходимость в выходном фильтре.

Усилитель имеет следующие характеристики:

  • Напряжение источника питания — от 3,5 В до 5 В
  • Потребление тока (без входного сигнала) — 2,1 мА
  • Ток в режиме ожидания (включение — низкий) — 0,82 мА
  • Выходная мощность (питание — 5 В, нагрузка — 4 Ом ) — 3 Вт (макс.)
  • Усиление — 20 дБ
  • Входное сопротивление — 2 кОм
Таблица 5: Настройки PIN Таблица 6: Настройки LUT Таблица 8: Настройки вывода ВН

Выводы

Как можно видеть, построить простой недорогой усилитель класса D очень легко с помощью высоковольтной микросхемы GreenPAK IC.Обе конструкции, представленные в этом документе, являются простейшими версиями устройств, которые могут быть построены на базе SLG47105. Они не предназначены для использования в качестве части оборудования Hi-Fi, но, тем не менее, могут использоваться в портативных аудиоустройствах, домофонах, дверных звонках и т. Д. Усилитель, описанный в разделе 1.1, может быть модифицирован до стереоусилителя или оставшегося полностью готового. мост (или два полумоста) можно использовать для управления любой сильноточной нагрузкой, такой как двигатель постоянного тока, соленоид, реле, светодиод высокой мощности и т. д. Последнее утверждение также верно для усилителя, описанного в разделе 1.2.

Назар Слюнченко — менеджер технической документации Dialog Semiconductor

Что такое усилители класса D?

Что такое усилители класса D

Усилитель класса D также известен как «импульсный усилитель мощности ». Усилители класса D работают от с широтно-импульсной модуляцией , он преобразует входной сигнал в поток импульсов.

Усилители класса D часто ошибочно воспринимаются как цифровые усилители — или, по крайней мере, — «на два уровня лучше», чем обычный усилитель класса A.

Реальность такова, что технология класса D все чаще применяется для традиционно громоздких, тяжелых и неэффективных усилителей мощности в крупномасштабных системах оповещения, усиления голоса и живого звука.

Пример диаграммы широтно-импульсной модуляции:

Каковы преимущества усилителя класса D?

Плюсы

  • Они эффективны — в отличие от усилителей класса A, которые постоянно работают на полную мощность, усилители класса D включаются и выключаются.
  • Они могут быть меньше, поскольку в них нет большого трансформатора и конденсаторов.
  • Их легко установить и хранить вдали, так как они не нагреваются, как усилители класса А.
  • Работает по большинству вещей!

Минусы

  • Некоторым людям не нравится звук, который дают усилители класса D, поскольку он может звучать очень цифровым.

Эффективность против Диаграмма искажений:

Что такое усилитель класса А?

Усилители класса A — это наиболее распространенная и простая форма усилителя мощности, у них оба выходных каскада устройства постоянно работают на полную мощность.

Обычные аналоговые усилители чрезвычайно надежны, но хорошо известны своим весом и габаритами из-за медных проводов трансформатора (ов) — и, конечно, чем мощнее усилитель, тем больше и тяжелее он будет.

Таким образом, в крупномасштабных системах громкой связи и звукоусиления — часто с выходной мощностью 1000 Вт и несколькими каналами — результирующая сборка звуковой стойки быстро становится весьма значительной, вплоть до 300 высоких стоек, требующих подъемного оборудования для их размещения в месте окончательного упокоения!

И как неэффективная технология, обычные аналоговые усилители выделяют много тепла, которое необходимо контролировать, требуя еще больше места и энергии для температурного кондиционирования.


CIE является одним из ведущих дистрибьюторов аудио в Великобритании и имеет более чем 50-летний опыт поставок и проектирования систем для многих крупнейших и высокопрофильных аудио проектов в Великобритании; наши специалисты по AV обеспечивают уникальный уровень технической поддержки и обслуживания клиентов.

Если вам нужна помощь, позвоните нам сегодня по телефону 0115 9770075 или напишите нам по электронной почте.


Есть вопрос к команде HowToAV? ..

HowToAV.tv предоставляет целый ряд советов, приемов и технологических ноу-хау для профессиональной аудиовизуальной индустрии.
Подпишитесь на наш канал YouTube прямо сейчас по адресу howtoav.tv , чтобы получить все последние видеотрансляции, или отправьте нам свои вопросы по адресу [email protected]

Усилители класса D для высокоэффективного импульсного звука

Звук — аналог или линейное явление. Традиционные усилители звука, такие как Class A и Class AB, управляют усилительными транзисторами в линейном режиме. Усилители класса A и AB могут обеспечить чистый звук, но неэффективны, как линейные источники питания.Усилители класса D аналогичны импульсным источникам питания и используют различные методы импульсной модуляции для обеспечения чистого усиленного звука с более высокой эффективностью по сравнению с их линейными аналогами классов A и AB.

Как и импульсные источники питания, усилители класса D требуют другого типа силового транзистора, оптимизированного для быстрого и эффективного переключения. Усилители класса D также имеют более сложные схемы управления по сравнению с относительно простыми усилителями класса A или AB. Возврат инвестиций в более быстрые переключатели и более сложное управление — это усилители, которые меньше, холоднее и могут продлить срок службы батарей в портативных системах.

Несмотря на то, что они предлагают превосходные рабочие характеристики в нескольких отношениях, усилители класса D все же могут страдать от ограничений и компромиссов:

  • Необходимость в LC-фильтре увеличивает размер, это может быть особенно проблематичным в устройствах с ограниченным пространством
  • Потребность в LC-фильтре увеличивает стоимость
  • Относительная неэффективность при типичных уровнях прослушивания
  • Проблемы управления температурой могут возникнуть из-за неэффективности на типичных уровнях мощности
  • Усилитель
класса D показывает размер компонентов LC-фильтра (Изображение: ICEpower)

Более эффективно, но не идеально

Усилители

класса D могут достигать максимальной эффективности 90% или больше.Для сравнения, пиковая эффективность составляет около 30% для усилителей класса A и около 60% для усилителей класса AB. Усилители класса D более эффективны, чем усилители A или AB, во всем диапазоне выходной мощности. Но, как и все усилители, усилители класса D значительно менее эффективны при работе ниже пиковой номинальной мощности.

На рисунке ниже показан КПД традиционного усилителя класса D. Горизонтальная ось нанесена в логарифмическом масштабе, чтобы подчеркнуть нижнюю границу шкалы выходной мощности.Для типичных уровней выходной мощности от 0,1 до 1 Вт на канал эффективность едва достигает 50 процентов (усилители классов A и AB намного менее эффективны в этой области). Запас мощности выше 1 Вт обычно используется для передачи пиковой мощности, которая время от времени требуется для точного воспроизведения музыки. На рисунке показано, что традиционный усилитель класса D может достичь 90-процентной эффективности, но только для уровней выше 10 Вт (в данном случае до 40 Вт) — уровней, которые редко достигаются реальными аудиосигналами в течение продолжительных интервалов времени.

КПД традиционного усилителя класса D (Изображение: Infineon)

В нижней части шкалы выходной мощности общий КПД определяется потребляемой мощностью (входной мощностью) усилителя в состоянии покоя, т. Е. Потребляемой мощностью усилитель, когда он не производит никакого выходного сигнала.

На рисунке ниже показана потребляемая мощность в режиме ожидания, близкая к 1 Вт для обычного усилителя класса D, который работает от шины питания 18 В. Из-за неидеальной формы кривой усилитель звука легко доминирует над потребляемой мощностью всей аудиосистемы — не только при высокой выходной громкости, но даже между холостым и средним выходными уровнями.

Входная мощность для традиционного усилителя класса D (Изображение: Infineon)

Итак, хотя усилители класса D более эффективны по сравнению с классами A и AB, все же есть возможности для улучшения, особенно при более низких уровнях выходной мощности. Было разработано несколько методов повышения эффективности усилителей класса D при более низких выходных мощностях. Многоуровневая топология выходов и так называемые усиленные конструкции класса D, в которых используются методы усилителя класса H (отслеживание огибающей), могут повысить КПД усилителей класса D с низким энергопотреблением.Но такое повышение эффективности может сопровождаться повышенной сложностью и более высокими затратами.

Несимметричная или дифференциальная топология?

Как и обычные импульсные источники питания, традиционные усилители класса D могут иметь полумостовую (несимметричную) или полумостовую (дифференциальную) топологию. Полумостовой усилитель класса D, показанный ниже, состоит из широтно-импульсного модулятора, двух выходных полевых МОП-транзисторов и внешнего фильтра нижних частот (LF и CF) для восстановления усиленного аудиосигнала.Как показано на рисунке, полевые МОП-транзисторы с p-каналом и n-каналом работают как переключатели управления током, поочередно подключая выходной узел к VDD и земле. Поскольку выходные транзисторы переключают выход либо на VDD, либо на землю, результирующий выход усилителя класса D представляет собой высокочастотную прямоугольную волну.

Упрощенная функциональная блок-схема базового полумостового усилителя класса D (Изображение: Maxim Integrated Products)

Полный мост использует два полумостовых каскада для дифференцированного управления нагрузкой.Этот тип подключения нагрузки часто называют мостовой нагрузкой (BTL). Как показано ниже, полная мостовая конфигурация работает за счет чередования путей проводимости через нагрузку. Это позволяет двунаправленному току проходить через нагрузку без необходимости в отрицательном источнике питания или блокирующем конденсаторе постоянного тока. Как и в случае с полумостовой топологией, на выходе необходим внешний LC-фильтр для извлечения низкочастотных аудиосигналов и предотвращения рассеивания высокочастотной энергии в нагрузке.

Полномостовой выходной каскад класса D использует два полумостовых каскада для дифференцированного управления нагрузкой (Изображение: Maxim Integrated Products)

Независимо от топологии, в усилителях класса D используются два основных метода модуляции; широтно-импульсная модуляция (PWM) и модуляция плотности импульса (PDM). Каждый из этих методов модуляции требует компромиссов. ШИМ, работающий на фиксированной частоте, удобен для цифровой реализации, упрощает обработку ошибок из-за конечного времени переключения и предлагает лучшие характеристики излучения EMI.PDM отлично подходит для получения более высокого коэффициента усиления контура и улучшения качества звука. PDM также имеет преимущество в уменьшении потерь при переключении и лучшем коэффициенте использования напряжения.

Список литературы

Усилители класса D серии ASX, ICEpower
Аудиоусилители класса D, Эффективное преобразование мощности
Многоуровневый аудиоусилитель MERUS ™ класса D поддерживает сверхкомпактные и маломощные приложения, Infineon
Основы усилителей класса D, Maxim Integrated Products
Усилитель класса D , Википедия

, усилитель звука класса D IC

Infineon предлагает комплексные решения для портативных / с батарейным питанием, домашних и профессиональных усилителей.Портфель MERUS ™ от Infineon охватывает диапазоны мощности от 20 Вт до 2000 Вт на канал. Он включает в себя однокристальные устройства, многокристальные модули (MCM) и решения для дискретных аудиоусилителей с высокой степенью масштабируемости, состоящие из мощных комбинаций HEMT MOSFET / CoolGaN ™ в режиме улучшения (e-mode) и ИС драйвера.

Давайте проявим творческий подход! Давайте вводить новшества! Давайте вместе поработаем над индивидуальным дизайном. Вот некоторые из приложений, из которых мы можем выбрать.


Портативные аудиоприложения с питанием от батареек

Для портативных аудиоустройств / аудиоустройств с батарейным питанием важно максимально увеличить время воспроизведения от батареи при сохранении отличной производительности.Микросхемы аудиоусилителей MERUS ™ от Infineon обеспечивают в два раза больше времени воспроизведения от батареи в сочетании с лучшими в своем классе характеристиками и непревзойденным качеством звука.

  • Громкоговорители с батарейным питанием
  • Мобильные Bluetooth-колонки
  • Акустическая док-станция
  • Стреловые ящики
  • Носимые динамики

Дома и аудио приложения

Современные домашние аудиоустройства бывают разных форм, размеров и конфигураций, но все они имеют одну общую черту — это требование отличного звука в сочетании с выдающимся промышленным и акустическим дизайном.Усилители MERUS ™ от Infineon открывают путь для инновационных и незабываемых звуковых продуктов для дома в форм-факторах и формах, которые ранее были немыслимы.

  • Мультирум-системы
  • Домашние хабы
  • Телевизоры
  • Саундбары
  • Системы домашнего кинотеатра
  • Умные колонки

Профессиональные аудиоприложения

Профессиональное аудиооборудование — это максимальная выходная мощность и удельная мощность.Большая, тяжелая, энергоемкая профессиональная аудиоэлектроника — уже история. Решения Infineon MERUS ™ предлагают клиентам масштабируемость уровней выходной мощности для достижения качества звука на профессиональном уровне.

> Загрузите брошюру по применению решений MERUS ™

Воспользуйтесь исключительными звуковыми характеристиками, сверхвысокой энергоэффективностью, максимальной выходной мощностью, высокой надежностью, свободой проектирования и быстрым выводом на рынок, выбрав Infineon MERUS ™ для своей конструкции.

В мире, где экологические технологии приобретают все большее значение, преимущества, полученные с помощью решений MERUS ™, усиливают миссию Infineon: Часть вашей жизни. Часть завтра. Мы делаем жизнь проще, безопаснее и экологичнее — с помощью технологий, которые позволяют достичь большего, потребляют меньше и доступны каждому. Микроэлектроника от Infineon — залог лучшего будущего.

Усилители класса D — не Just Audio

Стив Сомерс, вице-президент по техническим вопросам

Да, я любитель видео.Вы, наверное, слышали, как один из нас (не я) неуважительно преуменьшал значение вездесущей области слуховой инженерии, говоря, что «это просто звук». Эта статья об аудио, но пока не заряжайте свои щиты. Я на вашей стороне … ветеран-менеджер проекта аудиосистемы с соотношением сигнал / шум качества CD и неизмеримыми гармоническими искажениями. Хотя я в основном запрограммирован на обновление моей памяти со скоростью 30 кадров в секунду (или пустых мыслей), я действительно иногда отправлялся в эту священную область в поисках большего динамического диапазона.

Сегодня звук — это нечто большее, чем просто динамический диапазон или полное гармоническое искажение (THD). Это еще и сила … больше за меньшие деньги. Аудиосистемы класса D стали самостоятельным выбором, независимо от того, нужна ли вам большая мощность звука от небольшой системы или больше мощности звука от небольшой батареи.

Классы усилителей

Есть пять «классов» усилителей: A, B, AB, C и D. Полезно знать, где мы были, чтобы понять, куда мы идем. Давайте рассмотрим.Усилитель класса A — это традиционный полностью линейный усилитель с активными элементами схемы, смещенными в их линейную рабочую область. Это означает, что в области должен быть достаточный диапазон напряжений, чтобы охватить весь динамический ход — амплитуду — входящего сигнала, чтобы воспроизвести его без ограничения или сжатия в любом крайнем случае. По этой причине выходное напряжение источника питания усилителя должно составлять примерно 200% от максимального ожидаемого размаха выходного сигнала. Амплитуды сигналов, достигающих нелинейной области, искажаются.Этот метод работы чист, но неэффективен. Усилители класса A редко превышают КПД 20% с точки зрения потребляемой мощности (преобразованной в тепло) по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

Усилители

класса B несколько более эффективны за счет использования двух приводных элементов, работающих в двухтактной конфигурации. При положительном отклонении сигнала верхний элемент подает питание на нагрузку, а нижний выключен. Во время отрицательных отклонений сигнала происходит обратная операция.Это увеличивает эффективность работы, но страдает от нелинейной области включения и выключения, создаваемой, когда элементы драйвера переключаются из своего состояния включения в состояние выключения. Эта ошибка переключения создает состояние, обычно называемое перекрестным искажением.

Усилители

класса AB в значительной степени устраняют перекрестные искажения, сочетая в себе лучшие характеристики обоих классов. Двухтактные драйверы осторожно смещены чуть выше их полностью выключенного состояния, чтобы переход между драйверами был более плавным.Следовательно, каждый драйвер никогда не выключается полностью. Это уменьшает большую часть перекрестных искажений за счет эффективности. В непосредственной близости от выходных устройств требуется цепь смещения с температурной компенсацией. Усилитель AB по-прежнему более эффективен (60–65%), чем усилитель класса A. Однако показатели эффективности усилителя обычно получаются при применении устойчивых синусоидальных тонов с низким коэффициентом амплитуды. Если принять во внимание пик-фактор (отношение пикового сигнала к среднеквадратичному сигналу) реальных сигналов, эффективность либо класса A, либо AB падает в лучшем случае до 20%.

Усилители

класса C, смещенные на уровне отсечки или ниже, обычно используются для определенных типов радиочастотной передачи, но не используются в аудиоприложениях. Поэтому в данной статье мы не будем останавливаться на классе C.

.
Рисунок 1. Усилитель класса D сравнивает аналоговый звук с треугольной волной для создания широтно-импульсной модуляции.
D не равно цифровому
Усилители

класса D не являются цифровыми в полном смысле этого слова. Они не управляются напрямую связными двоичными данными. Они действуют в цифровом виде, поскольку выходные драйверы работают либо в полностью включенной области, либо в полностью выключенной области.Думайте об усилителях класса D как об импульсных источниках питания, но со звуковыми сигналами, модулирующими действие переключения.

Импульсный источник питания использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления рабочим циклом включения / выключения транзисторов переключения мощности, обеспечивающих питание нагрузки. Эффективность высока, потому что на переключающем транзисторе мало падения напряжения во время проводимости. Это означает очень низкое рассеивание мощности в коммутаторе, в то время как практически вся мощность передается нагрузке.Во время периода выключения ток практически равен нулю. Качество и быстродействие устройств MOSFET (металл-оксидный полупроводниковый полевой транзистор) привело к созданию компактных, эффективных высокочастотных источников питания. Импульсные источники питания более эффективны на высоких частотах. На более высоких рабочих частотах компоненты могут стать меньше, и источник питания станет очень компактным для передаваемой мощности. Кроме того, компоненты выходного фильтра могут быть намного меньше. Сегодня частоты переключения выше 1 МГц не редкость.Но, как вы, наверное, знаете, импульсные источники питания создают значительный шум.

При чем здесь звук? Аудиосигналы могут использоваться для модуляции системы ШИМ для создания мощного аудиоусилителя при номинальном напряжении с использованием небольших компонентов. Аудио класса D использует фиксированную высокочастотную несущую, имеющую импульсы, ширина которых изменяется в зависимости от амплитуды сигнала. Усилители класса D достигают КПД до 90%. Это очень важно для портативных приложений, работающих от батареи.Портативная аудиосистема класса D с батарейным питанием может иметь срок службы батареи в 2,5 и более раз.

Экономия электроэнергии становится проблемой. Оборудование, использующее системы класса D, значительно экономит электроэнергию. Для оборудования с ограниченным бюджетом мощности или доступным диапазоном напряжений класс D может выполнять свою работу без перепроектирования источников питания для получения большего запаса сигнала. Звучит как система с плохой производительностью? Думаю, качество вас приятно удивит.Давайте подробнее рассмотрим, как это работает.

Время проверить под капотом

В наиболее распространенной реализации амплитуда входящего аудиосигнала сравнивается с треугольной формой волны, работающей на заданной частоте переключения. Схема компаратора переключает свой выходной сигнал на высокий или низкий уровень в зависимости от порогового значения входящего звука относительно опорной амплитуды и частоты треугольной волны. Когда аудиосигнал превышает пороговое значение компаратора, компаратор включается и остается включенным в течение времени, когда аудиосигнал превышает опорный уровень, создавая, таким образом, широкую положительную ширину импульса.И наоборот, в то время как аудиосигнал ниже опорного уровня компаратора, отрицательная часть рабочего цикла выходного импульса шире. Обратитесь к Рисунку 1, чтобы увидеть эту взаимосвязь.

Некоторые описывают этот метод преобразования как 1-битный аналого-цифровой преобразователь. Большим преимуществом этого метода преобразования является линейность. Отношение амплитуды звука к импульсам переменной ширины в этой системе совершенно линейно. Эта последовательность импульсов с фиксированной частотой становится несущей для звука.

Выходы компаратора подключаются к схеме управления затвором для выходных транзисторов MOSFET.Обычно компаратор имеет дополнительные выходы и управляет двумя наборами транзисторных переключателей с тотемной полярностью. Эта конфигурация вместе с точкой подключения для громкоговорителя описывает топологию выходного привода, известную как конфигурация «H» или «мостовая» нагрузка. См. Рисунок 2, где представлена ​​более упрощенная схема топологии класса D.


Рисунок 2. Топология класса D

Последняя и не менее важная секция — выходной фильтр. В большинстве конструкций класса D используется схема фильтра Баттерворта для простоты и низкой стоимости.Выходной фильтр необходим для фильтрации нижних частот или интеграции изменяющегося рабочего цикла импульса несущей в исходный аудиоконтент при ослаблении (поглощении) частоты переключения несущей. Выбор значений компонентов фильтра очень важен и необходим для достижения максимальной эффективности.

Динамический диапазон достигается выбором несущей частоты переключения. Рекомендуется коэффициент, по крайней мере, в 12 раз превышающий верхнюю частоту среза звука. Это означает, что минимальная частота переключения будет около 250 кГц.В состоянии покоя (без сигнала) рабочий цикл частоты переключения составляет 50% или равномерно разделен между ВКЛ и ВЫКЛ. Интересно, что состояние отсутствия входного сигнала является наиболее стрессовым для конструкции класса D. Положительные пики сигнала управляют рабочим циклом в одном направлении, а отрицательные пики — в противоположном. Таким образом, чем выше частота переключения, тем больше «битов» разрешения доступно для воспроизведения сигнала.

Интересно … Как насчет качества?
Усилители

класса D подверглись критике как более низкое качество, чем системы класса AB, и их использование ограничивалось приложениями с более низкой производительностью, такими как системы громкой связи.Благодаря недавним достижениям в области силовых полупроводниковых устройств и необходимости повышения эффективности при питании от батарей, к классу D теперь наблюдается возрождение интереса. Теперь возможно разработать дизайн класса D, который конкурирует с большинством усилителей AB. Например, посмотрите на частотную характеристику системы Extron класса D на рисунке 3. Теперь сравните ее соотношение сигнал-шум с характеристикой типичного усилителя класса AB (рисунки 4 и 5). Обратите внимание на близость характеристик между двумя классами, в то время как конструкция Extron обеспечивает на 67% больше мощности при той же нагрузке.Наконец, на рисунке 6 показаны очень достойные характеристики полного гармонического искажения (THD), которые не уступают классу AB. Также интересно отметить, что при полной выходной мощности радиатор выходного переключающего транзистора класса D просто теплый на ощупь. Напряжение источника питания составляет половину уровня, необходимого для устройства класса AB.

Преимущество класса D

Самое большое преимущество — эффективность. Повышенная эффективность означает более низкую стоимость системы, более низкие рабочие температуры, более низкое напряжение источника питания и более низкое энергопотребление.Кроме того, легко доступны строительные блоки класса D, а также значительная поддержка дизайна для быстрого внедрения в новые разработки продуктов. В то время как реальный КПД усилителей класса AB составляет около 20%, системы класса D достигают КПД 75% без значительных усилий. Более высокий КПД возможен в зависимости от деталей конструкции с усилителями более высокой мощности (около 100 Вт или более), которые на самом деле достигают более высокого КПД, чем их родственники с низким энергопотреблением.


Рисунок 3.Полоса пропускания на уровне 25 Вт на 8 Ом.
Рис. 4. Характеристики отношения сигнал / шум класса AB при 15 Вт на 8 Ом.
Рис. 5. Характеристики отношения сигнал / шум Extron класса D при 25 Вт на 8 Ом.
Рисунок 6. Полный коэффициент гармонических искажений (THD) при 25 Вт на 8 Ом. Обратите внимание, что полоса пропускания усилителя ниже 49 Гц должна спадать.

Хорошо, в чем уловка?

Конкуренция с конструкциями класса AB во имя эффективности несет в себе несколько предостережений. Из трех важнейших конструктивных особенностей выходной фильтр занимает первое место.Выходной фильтр восстанавливает исходный аудиосигнал и ослабляет несущую частоту переключения. Он также устанавливает полосу пропускания усилителя -3 дБ. При разработке выходного фильтра важно выбрать топологию фильтра и такие значения компонентов, чтобы частота переключения была достаточно ослаблена, а полоса звукового сигнала не подвергалась значительному влиянию. После фильтра всегда присутствует остаточный носитель. Новичок в классе D не увидит тихого состояния отсутствия сигнала на клеммах громкоговорителей.Некоторая потеря эффективности в классе D является результатом конструкции выходного фильтра.

Из-за высокочастотной работы очень важна развязка источника питания. Коммутационная несущая должна быть отключена от всех напряжений питания, чтобы предотвратить ухудшение работы схемы. Наконец, для минимизации генерации электромагнитных помех важна правильная разводка высокочастотной печатной платы. По мере увеличения уровня мощности коммутационные токи, проходящие по дорожкам платы с высоким импедансом, будут создавать значительный электрический шум.

Дивный новый класс

Достижения в области электронного искусства стали более междисциплинарными, чем когда-либо прежде. Аудиоприложения класса D требуют обширных знаний в области дизайна и техники. Поддержание чистоты аудиосигнала — это Святой Грааль во время этой оркестровки высокоскоростной энергии из хаоса в царство упорядоченного и эффективного воспроизведения сигнала. Аудиосистемы класса D быстро приближаются к ожиданиям аудиофилов и завоевывают признание экспертов по энергоэффективности.Должен ли сегодня любой инженер-конструктор отвергать аудиосистему как несомненную? Думаю, нет.

Высокоэффективные усилители звука класса D

Аннотация: В этой заметке по применению рассматриваются работа и преимущества аудиоусилителя класса D (переключаемый и без фильтра). Усилители с переключаемым режимом, такие как моно MAX4295 и стерео MAX9701 без фильтров, предлагают высококачественный звук с улучшенной эффективностью по сравнению с традиционными линейными усилителями звука (класс A, класс B и класс AB).В этой заметке по применению представлен обзор традиционных конструкций линейных аудиоусилителей, а затем их сравнение с конструкцией усилителя класса D. Признаны преимущества новых усилителей класса G. В статье показаны расчеты эффективности и конструкция выходного фильтра для усилителей класса D. Высокую эффективность усилителей класса D демонстрирует MAX9701.

Аналогичная версия этой статьи появилась в августовском выпуске журнала Electronic Products за 2002 год.

Введение

Энергозатратные линейные усилители уже давно доминируют в мире звука.Но поскольку потребителям портативной электроники требуются устройства меньшего размера с более длительным сроком службы батарей, разработчики заменяют обычные линейные усилители устройствами с высоким КПД. Таким образом, переключение звука нашло свою нишу. Хотя усилители класса AB доминируют в мире звука, усилители класса D (переключаемые) обеспечивают баланс между эффективностью и искажениями, необходимыми для портативных устройств.

В своей простейшей форме импульсный усилитель состоит из H-моста и нагрузки (, рис. 1, ).Нагрузка H-моста включает импеданс динамика и пассивный фильтр. H-мост направляет ток в динамик, а LC-фильтр ослабляет шум переключения. Чтобы более четко понять, почему этот метод лучше подходит для портативных устройств, чем для обычного линейного усилителя, мы должны изучить преимущества и недостатки каждой топологии. Прежде чем проводить полное сравнение, мы сначала рассмотрим характеристики, общие для всех выходных каскадов, специфичных для аудио.


Рис. 1. Выходной каскад класса D использует переключатели MOSFET для чередования пути тока к нагрузке.

Усилители обычно классифицируются по выходным каскадам. Даже при идентичных входных каскадах и каскадах усиления усилители с разными выходными каскадами демонстрируют разные уровни производительности и эффективности.

Из распространенных топологий выходных каскадов (классы A, B, AB и D) усилители класса D демонстрируют наивысший КПД. Линейный выходной каскад (класс A, B или AB) потребляет значительный ток смещения при подаче и втягивании тока в динамик. Нелинейный выходной каскад (класс D) повышает эффективность и продлевает срок службы батареи за счет устранения этого тока смещения.Эффективность класса D достигается за счет большего шума и искажений. Следовательно, в портативном оборудовании, которое позволяет заменить линейность на эффективность, усилитель класса D является лучшим выбором.

Класс A

Самый простой и в то же время наиболее эффективный подход, топология класса A, состоит из транзистора смещения и транзистора-повторителя напряжения. Поскольку оба транзистора всегда работают в своих активных областях, такие схемы производят меньшие искажения, чем любой другой класс выходных каскадов.Это делает устройства класса A идеальными для систем высокого качества. Постоянная линейность — это величайшее достоинство топологии класса A, а также ее ахиллесова пята. Эффективность страдает, потому что транзистор верхнего плеча потребляет значительный ток, а транзистор нижнего плеча должен быть смещен, чтобы постоянно обрабатывать пиковые токи. При максимальных уровнях сигнала максимальная эффективность каскада класса A определяется по формуле:
η = P OUT / P SUPPLY = ½ (V CC I Q / 2V CC I Q ) = 0.25 или 25% (уравнение 1)
Это соотношение предполагает, что максимальное выходное напряжение составляет V CC и что V CC = | V EE |. (См. Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем , Грей и Мейер.) Такой усилитель может использоваться как обогреватель помещения в мощных приложениях и как «пожиратель газа» в оборудовании с батарейным питанием.


Рис. 2. Выходной каскад класса A демонстрирует лучшую линейность из всех топологий, но потребляет наибольший ток питания.

Класс B

По сравнению с классом A топология класса B предлагает значительно улучшенную эффективность за счет гораздо более высоких искажений. Состоящий из двух транзисторов, которые не активны одновременно, усилитель класса B демонстрирует максимальный КПД, определяемый:
η = P ВЫХОД / P ПИТАНИЕ = (V CC ² / 2R L ) / (2V CC ² / πR L ) = 0,78539 или 78,5% (уравнение 2)
Опять же, это уравнение предполагает, что максимальное выходное напряжение составляет V CC и что V CC = | V EE |.Поскольку эта топология не является линейной во всем динамическом диапазоне, она производит больше искажений. Рассмотрим схему и график , рис. 3, , где выходной каскад состоит из транзисторов NPN и PNP. Когда вы перемещаете вход от V EE к V CC , выход проходит через «мертвую» зону 1,4 В, в которой оба транзистора выключены. Эта мертвая зона вызывает искажения кроссовера. При подаче синусоидального сигнала на каскад класса B эффект кроссоверного искажения равносилен исключению каждого десятого слова в этой статье.


Рис. 3. Выходной каскад класса B более эффективен, чем класс A, но он демонстрирует кроссоверные искажения.

Класс AB

Топология выходного каскада, наиболее часто используемая в монолитных усилителях звука, относится к классу AB. Добавляя схему смещения в каскад класса B, выходной каскад класса AB резко снижает искажения кроссовера, сохраняя при этом большую часть эффективности класса B. Смещение улучшает линейность (что снижает искажения), гарантируя, что хотя бы один выходной транзистор активен, когда входной сигнал находится между -0.7В и +0,7В. Эффективность (по отношению к классу B) снижается, когда оба транзистора активны одновременно, но это небольшая цена за заметно улучшенное качество звука.

Большинство других доступных топологий усилителей плохо определены. Действительно, у некоторых производителей используются похожие обозначения для разных схем. Помимо класса A, класса B, класса AB и класса D, другие типы усилителей либо очень эзотеричны, либо не применимы к аудио усилителям. Новые конструкции сотовых телефонов требуют меньшей площади при сохранении уровня звукового давления.Динамики обычно были компонентом, ограничивающим тонкость конструкции. Новые разработки в керамических или пьезоэлектрических динамиках поставили перед ними новую задачу, и усилители класса G оказались идеально подходящими для них.

Класс D

Как упоминалось выше, линейные усилители с одинаковыми входными каскадами и каскадами усиления могут иметь совершенно разные выходные каскады. Однако импульсный усилитель класса D полностью отличается от линейного усилителя по входу к выходу. Он больше похож на импульсный стабилизатор напряжения, чем на усилитель.Безфильтровый аудиоусилитель класса D MAX9701 (, рис. 4, ) имеет несколько улучшений по сравнению с базовой технологией импульсного усилителя.

Усилитель класса D, такой как MAX9701, предлагает характеристики класса AB с эффективностью класса D. Уникальная схема модуляции устройства без фильтров, синхронизируемая частота переключения и режим переключения с расширенным спектром создают компактный, гибкий, малошумящий и высокоэффективный усилитель мощности звука. Архитектура с дифференциальным входом снижает уровень синфазного шума и может использоваться даже без входных разделительных конденсаторов.Входы также можно настроить для приема несимметричного входного сигнала. Компараторы контролируют входы MAX9701 и сравнивают дополнительные входные напряжения с пилообразной формой волны. Компараторы срабатывают, когда входная величина пилы превышает соответствующее входное напряжение. Оба компаратора сбрасываются в фиксированное время после нарастающего фронта второй точки срабатывания компаратора, таким образом генерируя импульс минимальной ширины (t ON_MIN ) на выходе второго компаратора. По мере увеличения или уменьшения входного напряжения длительность импульса на одном выходе увеличивается, в то время как длительность другого выходного импульса остается неизменной.Это вызывает изменение сетевого напряжения на динамике (V OUT + + V OUT- ). Импульс минимальной ширины помогает устройству достичь высоких уровней линейности.


Рис. 4. Функциональная схема стереоусилителя MAX9701 класса D.


Рис. 5. MAX9701 выходы с поданным входным сигналом.

Нелинейное усиление, реконструкция сигнала и THD

В отличие от обычных линейных усилителей, усилитель класса D включает в себя компаратор, который разрывается на части (т.е., образцы) аудиовхода, сравнивая его с пилообразным. Во время периода переключения выход компаратора низкий, когда пилообразный сигнал превышает входной сигнал, и высокий в противном случае (, рис. 5, ). Для наглядности показанная пилообразная частота относительно близка к частоте звука, но обычно она намного превышает максимальную частоту звука.

Для заданного входного уровня выходом компаратора является прямоугольная волна с модуляцией рабочего цикла с периодом, определяемым частотой пилообразной формы.Компаратор эффективно производит выборку аудиовхода. Помимо частоты, динамический диапазон усилителя определяется минимальным уровнем шума и величиной пилообразной формы. Если аудиосигнал на компараторе превышает величину пилообразного зуба, результирующий рабочий цикл будет таким же, как если бы сигнал был равен пилообразному зубу. При нагрузке это состояние проявляется как отсечение.

Сигнал ШИМ управляет драйверами H-моста, включая и выключая противоположные пары полевых МОП-транзисторов и тем самым реверсируя ток нагрузки в течение одного периода (рисунок 1).Как показано на рисунке 1, сигнал в аудиоусилителе обычно смещен на полпути между напряжениями питания. Следовательно, при отсутствии сигнала рабочий цикл компаратора составляет 50%. (Это поведение рассматривается ниже при обсуждении фильтров.)

Похоже, что метод усиления класса D искажает сигнал. В конце концов, THD является результатом нелинейности в цепи, а каскады класса D разбивают звук на нелинейные прямоугольные волны. Однако эффект усреднения выходного фильтра позволяет усилителям класса D достигать значений THD <1%.Выходной фильтр обычно представляет собой LC-фильтр нижних частот второго порядка с частотой среза, установленной чуть выше желаемой полосы пропускания звукового сигнала системы. Фильтр удаляет высокочастотный контент из выходного сигнала прямоугольной формы H-моста и позволяет усиленному звуку проходить через него без изменений.

Все фильтры нижних частот имеют конечное подавление в полосе задерживания, и типичный LC-фильтр второго порядка не является исключением. Небольшая часть частоты коммутации «просачивается» в нагрузку. Обычно это не имеет никаких последствий, потому что обычные преобразователи звука не могут воспроизводить такие частоты.Даже если динамик был способен создавать эти высокие частоты, конечный пользователь не мог их слышать. Другие нелинейности фильтра находятся в пределах его собственной полосы пропускания и, следовательно, создают небольшое количество THD и шума. Благоразумная конструкция фильтра может уменьшить эти аберрации ниже слышимого уровня.

Слушайте только то, что вы хотите, и отфильтруйте остальное

Правильная конструкция фильтра обеспечивает отличную полосу пропускания усилителя и характеристики THD. Ослабляя частоту переключения и ее гармоники, фильтр с правильной частотой среза и спадом извлекает аудиосигнал с минимальными искажениями.Например, фильтр с угловой частотой 30 кГц пропускает аудиосигналы 20 кГц с ошибкой менее 1 дБ и сигналы 16 кГц с ошибкой менее 0,4 дБ. Эта потеря полосы пропускания допустима для большинства аудиоприложений, потому что обычный взрослый не может слышать дальше 16 кГц. Тип фильтра следует выбирать в соответствии с требованиями данной системы; плоская полоса пропускания и хорошая фазовая характеристика фильтра Баттерворта — хороший выбор для большинства приложений.

Конструкция выходного фильтра должна основываться на желаемой для системы частотной характеристике.Частота переключения является основным фактором; более низкая частота накладывает более низкую частоту среза фильтра, и наоборот. Например, пассивного сбалансированного 2-полюсного RLC-фильтра с частотой среза 30 кГц (, рис. 6, ) достаточно для частоты переключения 250 кГц. Более низкая частота среза, конечно, уменьшает полосу пропускания усилителя, но это может быть приемлемо в данном приложении. Потеря полосы пропускания может быть недопустимой для радио или проигрывателя компакт-дисков, но потеря высоких частот для усиления голоса не является проблемой, если достаточно диапазона 5 кГц. Таблица 1 показывает полосу пропускания и типичные частоты переключения для некоторых распространенных аудиоприложений.


Рис. 6. Сбалансированный 2-полюсный фильтр Баттерворта нижних частот идеален для большинства приложений класса D.

Таблица 1. Полоса пропускания и частоты коммутации для распространенных аудиоприложений

Система Пропускная способность Частота переключения
Телекоммуникационное аудио 5 кГц от 125 кГц до 1 МГц
AM / FM радио 15 кГц от 250 кГц до 1 МГц
Аудиосистема ПК 20 кГц от 250 кГц до 1 МГц
Высококачественный звук 20 кГц от 250 кГц до 500 кГц

Выходная частота прямоугольной волны ШИМ от усилителя класса D выходит за рамки отклика человеческого уха, а также обычных динамиков.Следовательно, полоса пропускания уха и частотная характеристика динамика вместе служат достаточным фильтром для частоты переключения. Теперь вы можете спросить, если управление динамиком с помощью высокочастотных прямоугольных волн дает приличное качество звука, то зачем усилителю класса D выходной фильтр? Ответ в том, что элементы внешнего LC-фильтра поглощают энергию частоты переключения. Без фильтра эта энергия и мощность аудиосигнала должны рассеиваться в динамике.

Поскольку усилитель класса D продолжает переключаться и подавать ток на нагрузку даже при отсутствии аудиосигнала, ненадежный динамик может быть поврежден высокочастотными компонентами выхода класса D.Выходной фильтр также снижает электромагнитные помехи (EMI), которые могут стать проблемой, если выходные дорожки (или провода) длинные и неэкранированные; если рядом с усилителем расположены компоненты, чувствительные к электромагнитным помехам; или если усилитель и динамик находятся в разных корпусах.

Частота осциллятора

Частота пилообразного генератора является важным фактором при разработке усилителя класса D. Частота вывода (переключения) ШИМ определяет как требования к выходному фильтру, так и частоту дискретизации для аудиовхода.

Наилучший баланс между производительностью и размером компонентов достигается при частоте генератора, по крайней мере, в 10 раз превышающей максимальную частоту сигнала, которая обычно составляет 20 кГц. Например, частота переключения 250 кГц позволяет использовать катушки индуктивности умеренного размера 15 мкГн и конденсаторы 1 мкФ для нагрузки 4 Ом, чтобы установить полосу пропускания выходного фильтра на уровне 30 кГц. Такой фильтр в достаточной степени ослабляет частоту переключения, позволяя большей части аудиосигнала проходить без ослабления к нагрузке. Для моно усилителя звука класса D MAX4295 частота генератора 250 кГц и нагрузка 4 Ом дают THD равный 0.3% и КПД 85%.

Частота генератора меньше, чем в 10 раз превышает максимальный аудиосигнал, может вносить искажения из-за более низкой частоты дискретизации усилителя. Для аудиовхода 20 кГц и генератора 200 кГц выходной сигнал восстанавливается с 10 периодами ШИМ на период сигнала. Однако для генератора 100 кГц выходной сигнал восстанавливается с помощью пяти периодов ШИМ на период сигнала. Хотя эта разница может показаться незначительной для однотонального входа, частота реальных аудиосигналов может сильно измениться за короткое время.Это изменение может позволить пропустить небольшую часть входного сигнала из-за более низкой выборки и эффекта усреднения выходного фильтра.

Более низкая частота генератора не только увеличивает ошибку восстановления, но также требует более низкой частоты среза фильтра, чтобы в достаточной степени ослабить частоту переключения. Более низкие частоты среза требуют более высоких значений компонентов, заполняя драгоценное пространство на плате и увеличивая общую стоимость. Более низкая частота среза также уменьшает частотный диапазон усилителя за счет увеличения затухания высокочастотных аудиосигналов.

Большие искажения, вызванные более низкой частотой генератора, компенсируются увеличением эффективности. Коммутационные потери снижаются, поскольку полевые МОП-транзисторы переключаются не так часто, что повышает эффективность. (См. Раздел об эффективности ниже.) И наоборот, частота, значительно превышающая входной аудиосигнал в 10 раз, уменьшает размер фильтра и улучшает искажения, но снижает эффективность. Более высокая частота генератора позволяет увеличить отсечку фильтра, тем самым значительно ослабляя коммутационный шум, позволяя при этом меньшие значения компонентов.Это условие снижает стоимость и размеры компонентов выходного фильтра, одновременно расширяя частотный диапазон усилителя.

Увеличение частоты дискретизации до некоторой степени снижает искажения, но скорость нарастания нарастания для компаратора и драйверов моста становится более важной на высоких частотах. Частота переключения 1 МГц имеет период 1 мкс, например, при условии, что компаратор нарастает со скоростью 50 В / мкс, а его выход переключается с 0 В на 5 В. При рабочем цикле выхода 50% среднее выходное напряжение за период 1 мкс, независимо от скорости нарастания, равно 2.5В. Уменьшение рабочего цикла до 5% не дает выходному сигналу компаратора достаточно времени для достижения 5 В перед изменением состояния выхода. Выходное напряжение повышается до 2,5 В за 0,05 мкс, затем возвращается к 0 В за то же время. Усредненный выходной сигнал теперь составляет 125 мВ, что вдвое меньше ожидаемых 250 мВ. Аналогичное поведение происходит при рабочем цикле 95%. Таким образом, конечная скорость нарастания компаратора вызывает ослабление пиковых уровней сигнала. Эффективность страдает при более высоких частотах переключения, потому что устройство переключается чаще.(См. Раздел об эффективности ниже.)

КПД 100%, теоретически

Следует признать, что усилители класса D могут иметь более сложную конструкцию, чем линейные усилители, но преимущество их эффективности оправдывает более сложную систему, когда уже существуют более простые решения. Рассмотрим несколько сравнений. Теоретически лучший КПД для выходного каскада традиционного линейного усилителя составляет 78% (как упоминалось ранее), но линейные усилители демонстрируют этот КПД только при максимальной выходной мощности. Выходной каскад усилителя класса D, напротив, обеспечивает максимальную теоретическую эффективность 100% во всем динамическом диапазоне и с коэффициентом нелинейных искажений менее 1%.

КПД выходного каскада класса D определяется областью работы его транзисторов. Выходные транзисторы в линейном усилителе работают в своих активных областях, но соответствующие транзисторы в каскаде класса D требуют определенного уровня тока смещения для буферизации сигнала напряжения и подачи тока на нагрузку. Этот ток смещения (не требуемый нагрузкой) снижает эффективность, вызывая дополнительное рассеивание мощности на выходных транзисторах. Поскольку напряжение на нагрузке является функцией фильтра и рабочего цикла прямоугольной волны ШИМ (двухуровневый сигнал напряжения), выходным транзисторам нужно только «направлять» ток на нагрузку.Это позволяет выходным транзисторам, обычно полевым МОП-транзисторам, работать в своих линейных областях и потреблять нулевые токи смещения.

Потери IR (потери проводимости) вносят наибольший вклад в рассеивание мощности в выходном каскаде класса D. На рисунке 7 показана эквивалентная схема для ступени во время одного рабочего состояния. R ON — полевой МОП-транзистор в открытом состоянии; R P — паразитное сопротивление для комбинированных металлических межсоединений, соединительных проводов, выводной рамки и дорожек на печатной плате; R F — паразитное сопротивление компонентов фильтра; и R L — это нагрузка.При этих значениях КПД ступени (без учета коммутационных потерь) составляет:

КПД = η = P ВЫХ / P ПОДАЧА = I ВЫХ ²R L / I ВЫХ ² (2R ON + 2R F + R P + R л ) (уравнение 3)

Рис. 7. Этот эквивалентный контур постоянного тока показывает источник резистивных потерь в выходном каскаде класса D.

Если предположить отсутствие сопротивления в компонентах и ​​дорожках, кроме нагрузки, то эффективность выходного каскада класса D составляет:

η = P OUT / P SUPPLY = I OUT ²R L / I OUT ²R L = 1 или 100% (Ур.4)
Поскольку выходная мощность напрямую связана с I OUT и поскольку уровень I OUT не является фактором в уравнении эффективности, усилитель теоретически имеет 100% КПД во всем динамическом диапазоне — значительное улучшение по сравнению с традиционной линейной альтернативой.

Операция в реальном мире

К сожалению, идеальных компонентов не существует, а усилитель класса D не является 100% эффективным. Конечное сопротивление в элементах схемы является наиболее очевидным фактором потери мощности.Менее очевидный источник рассеивания мощности — потери переключения в полевых МОП-транзисторах. Как указывалось ранее, полевые МОП-транзисторы действуют как резисторы, когда они работают в линейной области. Поскольку они не совершают мгновенных переходов из выключенного состояния во включенное, они проводят короткий период во время каждого цикла в активной области, где каждый потребляет дополнительный ток. Результирующая потеря мощности за один период переключения (P ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ) составляет:
P ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ = ½f OSC I OUT ² (t ON + t OFF ) 2R ON (Ур.5)
Где f OSC — частота генератора, а t ON и t OFF — время нарастания и спада полевого МОП-транзистора. Переключение на 1 МГц потребляет в четыре раза больше энергии, чем на 250 кГц. Таким образом, с учетом резистивных потерь и коммутационных потерь эффективность усилителя класса D составляет:
η = P ВЫХ / (P ПОДАЧА + P ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ) = I ВЫХ ²R L / (I OUT ² (2R ON + 2R F + R P + R L ) + ½f OSC I OUT ² (t ON + t OFF ) 2R ON ) (Ур.6)
Основываясь на этом уравнении, вы можете приблизительно оценить реальную эффективность усилителя класса D как отношение RL к другим сопротивлениям в цепи. Следовательно, предполагая, что R L = 4 Ом, f OSC = 250 кГц, t ВКЛ = t ВЫКЛ = 25 нс, R ВКЛ = 250 мОм, R F = 25 мОм и R P = 80 мОм , η составляет 86,33%. Конечно, это не 100%, но значительно выше, чем у обычного линейного усилителя.Увеличение сопротивления R L до 8 Ом повышает эффективность до удивительных 92,66%. Эти проценты не учитывают мощность, потребляемую входной схемой, компаратором или схемами генератора и возбуждения. Эта потеря мощности не принималась во внимание, потому что она мала по сравнению с мощностью в выходном каскаде.

Измерения на усилителе класса D, таком как MAX9701, при нагрузке 4 Ом в большей части его динамического диапазона, показали эффективность, близкую к 85%. Эффективность снижается с увеличением выходной мощности, поскольку ток покоя становится больше по сравнению с выходным током (, рис. 8, ).


Рис. 8. Эффективность MAX9701 повышается с увеличением выходной мощности.

Заключение

Большинство полностью интегрированных усилителей с переключаемым режимом не предназначены для высококачественных аудиоприложений. Вместо этого такие устройства, как MAX9701, предназначены для портативного оборудования с батарейным питанием, такого как сотовые телефоны, портативные радиоприемники / CD / магнитофоны, MP3-плееры, портативные компьютеры, КПК, портативные DVD-плееры и мобильные интернет-устройства. Потребителей этих продуктов соблазняет обещание портативности и того, на сколько хватит заряда аккумулятора, а не ожидание потрясающего звука театрального качества.По мере того, как рынок портативных устройств продолжает расти, а усилители класса D становятся все более популярными, вы можете ожидать появления большего количества переключаемых усилителей, отличающихся большей гибкостью и более высоким уровнем интеграции.

Аудио класса D: сила и слава

Это часть специального отчета IEEE Spectrum: 11 лучших технологий десятилетия

Иллюстрация: Фрэнк Чимеро

Даже в мире высоких технологий довольно редко технический скачок обеспечивает как заметно более высокую производительность, так и потрясающе большую эффективность.Этот изящный трюк произошел с усилителями звука класса D, которые сейчас доминируют на рынке приложений в автомобильных стереосистемах, системах домашнего кинотеатра в коробке, телевизорах и персональных компьютерах.

Их успех был долгим. Первые коммерчески доступные усилители класса D появились в 1960-х годах британской компанией Sinclair Radionics (ныне Thurlby Thandar Instruments), но они не работали должным образом. Несколько лучше появились в 1970-х и 1980-х годах: Джон Ульрик разработал пару усилителей класса D для Infinity Systems в начале и середине 1970-х годов, а десятью годами позже Брайан Аттвуд создал серию «усилителей с цифровым преобразованием энергии» для Пиви. Electronics Corp.Но в те дни теория класса D опережала реализацию, потому что доступные компоненты были недостаточно хороши для воспроизведения высококачественного звука.

Проблема заключалась в скорости: усилители класса D производят выборку входной звуковой волны сотни тысяч раз в секунду перед ее усилением, и только в 1990-х годах стали доступны дешевые и надежные полевые МОП-транзисторы, которые были достаточно быстрыми для выборки формы волны на такие высокие частоты, — говорит Бруно Пуцейс, главный инженер Hypex Electronics.Hypex из Гронингена, Нидерланды, является ведущим производителем усилительных модулей класса D для аудиофилов, которые используются в продуктах, продаваемых другими фирмами.

«Чтобы сделать решительный шаг, потребовалось всего несколько компаний», — добавляет Пуцейс. Этими пионерами были Tact Audio, ICEpower и Tripath Technology, которые выпустили свои первые предложения класса D в конце 1990-х годов. Tact, теперь называемый Lyngdorf, потряс аудио-сообщество в 1998 году, выпустив усилитель класса D за 9800 долларов США под названием TacT Millennium, разработанный датским инженером Ларсом Рисбо.Он поражал не только своим промышленным дизайном, но и своей инженерией: усилитель имел большую ручку регулировки громкости с цифровым дисплеем в центре.

КОМПАНИЯ, КОТОРАЯ ПРОСМОТРЕТЬ:
Intersil D2Audio,
Милпитас, Калифорния

Intersil D2Audio продает продукцию, основанную на технологии Digital Audio Engine, которая сочетает в себе усилители класса D с обработкой сигналов, чтобы минимизировать влияние зашумленной мощности. расходные материалы или суровые автомобильные условия.

BET YOU
НЕ ЗНАЛ:

Первый аудиоусилитель класса D, предложенный публике в 1964 году, был за 8 фунтов стерлингов от британской компании Sinclair Radionics.Его выходная мощность была настолько ниже заявленных 10 Вт, что наводненный жалобами журнал Wireless World якобы отказался принимать будущую рекламу от Sinclair.

ICEpower была основана совместно другим датским инженером Карстеном Нильсеном, который разработал первые усилители и модули усилителей, и датской аудиокомпанией Bang & Olufsen. ICEpower наиболее известна своими комбинированными модулями источника питания и усилителя, хотя ее основным источником дохода является линейка микросхем усилителей MobileSound для мобильных телефонов.

Tripath, в Сан-Хосе, Калифорния, был первым, кто представил микросхему усилителя класса D, TA1101, в 1996 году. Он использовался в знаменитом Power Mac G4 Cube от Apple. Первый большой хит Tripath, TA2020, выпущенный в 1998 году, мог передавать 20 Вт на канал на 4-омные динамики (см. «25 микрочипов, потрясших мир»). Он использовался в министерео и ранних телевизорах с плоским экраном. «Мы отправляли миллионы чипов каждый квартал таким компаниям, как Samsung, Panasonic, Toshiba, Sanyo, NEC, Onkyo и Sony», — говорит Адья Трипати, который был президентом и главным исполнительным директором компании.

Все еще доступны большие запасы чипов Tripath. Они кормят рынок e-Bay крошечными, сверхдешевыми (всего за 15 долларов) усилителями из Китая, а также процветающим бизнесом среди любителей и домашних мастеров.

Сегодня почти весь рынок аудиоусилителей, от дешевых чипов для мобильных телефонов до невероятно дорогих домашних Hi-Fi, разделен на усилители класса D и класса AB; последние являются давно установившейся технологией, и они по-прежнему доминируют в домашнем аудио, а также в мобильных музыкальных проигрывателях, включая iPod, MP3 и смартфоны.Эти карманные плееры используют микроусилители мощностью менее 100 милливатт на канал. Для этих приложений доступны чипы класса D, но они пока не могут сравниться по цене с чипами класса AB, которые доступны по цене несколько центов за чип от таких гигантов, как National Semiconductor, Maxim, Texas Instruments, Sanyo и других. Тайваньские компании. Ежегодно продаются миллионы таких усилителей. И класс-AB — не единственный другой конкурент в этой быстрорастущей области: микросхемы усилителей класса G обладают высокой эффективностью класса D, а также предположительно их легче интегрировать в плотную и очень сложную систему, такую ​​как смартфон.

Тем не менее, Трипати настаивает, что категория микромощностей по-прежнему является большой рыночной возможностью для чипов класса D. Это лишь вопрос времени, когда огромное преимущество эффективности класса D склонит чашу весов в их пользу, так же как усилители класса AB медленно, но верно вытеснили класс A десятилетия назад. Когда-нибудь, без сомнения, это будет мир класса D.

Тем временем усилители класса D уверенно продвигаются на внутренний рынок, где они могут в полной мере использовать современные компоненты, которые дешевы, но обладают очень высокими характеристиками: полевые МОП-транзисторы становятся все лучше и лучше, дешевле и дешевле.Что касается технически подкованных, то модули и комплекты усилителей позволяют любому, у кого есть скромные навыки пайки, получить звук класса D, высокоточный и детальный, за несколько сотен долларов.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *