Site Loader

Содержание

Усилитель класса D | Микросхема

Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.

Преимущества усилителей D класса

Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).

Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.

Цифровой или все-таки импульсный?!

Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями. Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.

Кратко о принципе работы усилителя

Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.

Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы. В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.

Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.

Ключевые рекомендации

При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.

Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:

Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.

При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств. Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.

Практическая часть: схема усилителя класса D

В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.

Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей. Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.

КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

УНЧ 900 Вт — Класс D
Ламповый усилитель

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА D

Мощный усилитель класса «D», так называемый импульсный УМЗЧ, вполне по силам построить самостоятельно. Эффективность его действительно впечатляет — радиатор едва прогревается! Но так как опыта соборки таких УНЧ у радиолюбителей немного, вначале кратко объясним, как они работают.

Что такое усилитель класса D?

Ответ может звучать просто: это усилитель работающий в ключевом режиме. Но для того, чтобы полностью понять как они работают, рассмотрим традиционные усилители класса AB, что работают как линейные устройства. В импульсных переключающих усилителях, силовые транзисторы (Мосфеты) действуют как переключатели, быстро изменяя свое состояние с off на on. Это обеспечивает очень высокую эффективность, до 95%. Из-за этого усилитель не вырабатывает много тепла и соответственно не требует большой теплоотвод, в отличии от линейных усилителей класса АВ. Для сравнения, даже усилитель класса B может достигнуть максимальной эффективности в 78% (и то в теории). Ниже смотрите блок-схему УМЗЧ класса D, или усилителя с ШИМ.

Входной сигнал преобразуется в широтно-импульсный, прямоугольный сигнал с помощью компаратора. Это означает, что входные данные, закодированы в скважности прямоугольных импульсов. Прямоугольный сигнал усиливается, а затем проходят через низкочастотный фильтр для получения похожего на исходный аналоговый сигнал.

Существуют и другие методы для преобразования сигнала в импульсы, такие как Дельта-Сигма модуляция, но для этого проекта будем использовать более простую ШИМ.

На осциллограмме ниже можно посмотреть, как преобразовывается синусоидальный входной сигнал в прямоугольный, сравнивая его с треугольным.

При положительном пике синусоиды, скважность прямоугольного импульса составляет 100%, а на отрицательном пике она составляет 0%. Фактическая частота сигнала треугольника гораздо выше, порядка сотен килогерц, так что мы позже можем выделить исходный сигнала. Фильтр не идеален, поэтому треугольный сигнал нужен с частотой как минимум в 10 раз выше, чем максимальная звуковая в 20 кГц.

Схема УНЧ Д-класса

Теперь, когда мы знаем, как работает усилитель звука класса D, давайте попробуем его собрать своими руками. Вот схема принципиальная такого усилителя с ШИМ.

Транзисторы предлагаем использовать IRF540N или IRFB41N15D. Эти полевые транзисторы имеют низкий заряд затвора для быстрого переключения и низкое значение RDS(on) (сопротивление перехода) для снижения энергопотребления. Вы также должны убедиться, что транзистор имеет достаточно высокое значение Vdc (напряжение сток-исток). Можно использовать и IRF640N, но RDS существенно выше, что приведёт к меньшей эффективности.

Выше приведена таблица со сравнением основных параметров этих трех транзисторов:

Для монтажа платы можно использовать SMD компоненты, попробовать применить микросхему IR2011S вместо IR2110. Возможно УНЧ и не заработает с первой попытки, но когда вы услышите четкий и мощный звук, исходящий из колонок — поймёте что схема того стоит.

   Форум

   Форум по обсуждению материала УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ КЛАССА D

Простой усилитель класса Д

Как известно, усилители мощности звуковой частоты делятся на разные классы. Усилители, работающие в классе «А» могут обеспечить приличное качество звучания музыки за счёт высокого тока покоя, однако у них крайне низкий КПД, они потребляют много тока и требуют хорошего охлаждения.

Усилители класса «В», наоборот, очень экономичны, но они вносят в сигнал довольно много нелинейных усилителей. Самый распространённый класс – «АВ», как видно по его названию, представляет собой что-то среднее между «А» и «В». Он потребляет не так уж много и позволяет воспроизводить аудио-сигнал с достаточно неплохим качеством. Однако таким усилителям, особенно когда мощность уже исчисляется десятками ватт, всё равно необходим радиатор для охлаждения. Именно поэтому в последнее время большую популярность приобрели усилители класса «Д». Они имеют большой КПД (80-90%) и могут обходиться без радиатора даже при мощности в пару десятков ватт, обеспечивая при этом вполне приличное качество звука. Одна из таких схем представлена ниже.

Схема усилителя



Её основой является довольно распространённая в последнее время микросхема MP7720, она обеспечивает выходную мощность до 20 ватт. Напряжение питания лежит в широких пределах – от 7 до 24 вольт. Чем больше напряжение – тем большую мощность можно получить на выходе. D2 на схеме – стабилитрон на 6,2 вольта, например, 1N4735A. D1 – диод шоттки на напряжение минимум 30 вольт и ток 1 ампер. Подойдёт, например, 1N5819. L1 – дроссель индуктивностью 10 мкГн, подойдёт любой тип дросселя. С9 – разделительный конденсатор, он подключается последовательно с динамиком и срезает постоянную составляющую сигнала на выходе. Именно поэтому даже при неправильной сборке на выходе усилителя не будет постоянного напряжения и за динамик можно не беспокоится. Вывод 4 микросхемы отвечает за её состояние – включена она или выключена. Если напряжение на этом выводе близко к нулю, усилитель не заработает. Именно поэтому на схеме имеется стабилитрон D3 на напряжение 4,7 вольта, можно применить, например, 1N4732A. Все электролитические конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение, минимум в 1,5 раза превышающее напряжение питания. Больше никаких особенностей схема не имеет, достаточно её правильно собрать, и она сразу начнёт работать.


Сборка усилителя класса D


Как обычно, в первую очередь изготавливается печатная плата, её размеры составляют 45х30 мм. Данный усилитель предполагался как самый экономичный и миниатюрный, поэтому все элементы расположены достаточно плотно друг к другу для экономии места, а микросхема в SMD исполнении припаивается со стороны дорожек. Печатная плата выполняется методом ЛУТ, ниже представлено несколько фотографий процесса.


При лужении дорожек нужно быть очень осторожным, чтобы случайно не замкнуть их излишками припоя. После лужения первым делом припаиваем микросхему, а затем уже остальные детали с другой стороны платы. Для подключения всех проводов на плате предусмотрено место под клеммник. После завершения пайки стоит проверить соседние дорожки на замыкание, удалив перед этим остатки флюса с платы. Особое внимание стоит удалить площадке под микросхемой, под ней не должно оставаться жидкого флюса, который может навредить правильной работе усилителя.


Первое включение и испытания


Перед первым включением нужно поставить в разрыв питающего провода амперметр. Затем, подав питание, посмотреть на показания амперметра – без подачи на вход сигнала микросхема не должна потреблять больше 10 мА. Если ток покоя в норме, можно подключать динамик, подавать на вход сигнал, например, с плеера, компьютера или телефона и испытывать усилитель под нагрузкой. Даже при большой громкости микросхема не должна ощутимо нагреваться. На первый взгляд это кажется поразительным – такая маленькая микросхема спокойно обеспечивает мощность на выходе в десяток ватт, совершенно при этом не нагреваясь. Всё дело в том, что она превращает обычный аналоговый аудио-сигнал в последовательность импульсов, которые затем усиливаются. Транзисторы при этом работают не в линейном, а ключевом режиме, что позволяет обойтись без радиатора. Усилитель является монофоническим, значит для воспроизведения стерео сигнала придётся собрать второй такой же. Такую маленькую плату можно встроить куда угодно, она является просто незаменимой при построении различных портативных колонок, которые работают от аккумулятора. Удачной сборки.

Смотрите видео


Схема усилителя мощности класса D

 

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ СТРАНИЦЫ:
ПОДБОРКА СХЕМ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА D

МЕНЮ

 

 

РЕКЛАМА

 

 

 

 

 

 

  ПОИСК ПО САЙТУ

СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА D

      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.= 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.

      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

      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

 

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


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

      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

   
   
Адрес администрации сайта: [email protected]
   

НЕ НАШЕЛ, ЧТО ИСКАЛ? ПОГУГЛИ:

              СТРОКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ПОИСКА

 

 

 

⚡️Усилитель звука класса D 1250Вт

Усилители на микросхемах

На чтение 2 мин Опубликовано Обновлено

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

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

Усилитель на любую мощность от 25 до 1250 Вт

Печатная и монтажная плата усилителя звука класса D 1250Вт

Выходная мощность Рвых УМЗЧ рассчитывается по таблице

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

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

 

Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества. Часть 1

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

Преимущества усилителей класса D

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.

 

Сравнение усилителей разных классов

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

 

Рис. 1. Линейный выходной каскад на МОП-транзисторах

В схемах усилителей класса А один из транзисторов используется в качестве источника постоянного тока, обеспечивающего максимальную величину тока, которая может быть необходима динамику. В результате, с помощью усилителей класса А можно добиться хорошего качества звука, но потеря энергии в таких схемах чрезвычайно велико по той причине, что через выходные транзисторы протекает большой постоянный ток (здесь он не приносит пользы), а через громкоговоритель, где он, собственно, и нужен, ток не проходит.
В схемах класса В ток смещения отсутствует, и благодаря этому рассеивается намного меньше энергии. В устройствах данного класса выходные транзисторы работают в двухтактном режиме, то есть транзистор MH «выдает» ток, а транзистор ML «отводит». Однако качество звука при использовании схем класса В оставляет желать лучшего из-за нелинейных искажений (типа «ступеньки»), которые возникают при переключении транзисторов.
Класс АВ представляет собой компромисс — сочетание класса А и класса В; здесь присутствует постоянный ток смещения, но намного меньший, чем в схемах класса А. Использование малого тока смещения позволяет избежать искажений типа «ступеньки», добиваясь высокого качества звука. Потеря мощности в данном классе схем находится в диапазоне между потерей в классах А и В, но обычно оно лишь чуть больше, чем в усилителях класса В. Схема усилителя класса AB подобна схеме усилителя класса B и способна выдавать или отводить большой выходной ток. К сожалению, даже в удачных конструкциях класса АВ потеря мощности остается значительным по причине того, что среднее значение выходного напряжения очень отличается от значений напряжения питания. Большой размах изменения напряжения «сток-исток» приводит к большим значениям произведения IDSVDS, а значит, и к большим потерям мощности.
Усилители класса D благодаря принципиально другой топологии отличаются уникально низкой потерей мощности по сравнению со всеми упоминавшимися выше типами устройств.

 

Рис. 2. Схема усилителя класса D без цепи ОС

 

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

 

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

 

На фильтре (см. рис. 3) также нельзя допускать потери мощности, чтобы сохранить тот выиг­рыш, который обеспечивает переключающаяся схема выходного каскада. Как правило, в фильтре используют конденсаторы и индуктивности, а единственным элементом, где происходит потеря мощности, остается динамик.
На рисунке 4 сравниваются теоретически рассчитанные величины рассеиваемой мощности в выходных каскадах (PDISS) усилителей классов А и В с измеренным значением рассеиваемой мощности для усилителя AD1994 класса D.

 

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

 

Рассеиваемая мощность рассчитана в зависимости от выходной мощности (PLOAD), подаваемой на динамик, при синусоидальном сигнале звуковой частоты. Выходная мощность нормирована к уровню PLOAD max, при котором синусоидальный сигнал «срезается» сверху так, что суммарный коэффициент гармонических искажений составляет 10%. Вертикальная линия показывает мощность PLOAD, при которой начинается «срезание» синусоиды.
На рисунке видно, что значительные различия в величине рассеиваемой мощности наблюдаются в широком диапазоне мощности на нагрузке и особенно явны при больших и средних нагрузках. В начале «срезания» синуса потери в выходном каскаде усилителя класса D в 2,5 раза меньше, чем в каскаде класса В и в 27 раз меньше, чем в классе А. Стоит отметить, что в выходном каскаде усилителя класса А потеря энергии больше, чем в громкоговорителе — это результат использования большого постоянного тока смещения. Коэффициент полезного действия выходного каскада (Eff) определяется выражением:

 

Eff = PLOAD /(PLOAD+ PDISS).

 

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

 

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

Преимущества усилителей класса D в том, что они позволяют расширить диапазон рабочих мощностей. Это важно для воспроизведения звука, так как длительные средние уровни мощности при высокой громкости не используют весь динамический диапазон, а короткие мощные пики достигают уровня
PLOAD max. Так, для звуковых усилителей PLOAD = 0,1. PLOAD max — это разумный рабочий уровень мощности, на котором следует определять PDISS. На этом уровне потеря мощности в усилителях класса D в девять раз ниже, чем в классе В и в 107 раз ниже, чем в классе А.
Для звукового усилителя со значением PLOAD max = 10 Вт рабочий уровень в 1 Вт представляется оптимальным для прослушивания. При таких условиях в выходном каскаде класса D рассеивается 282 мВт; в классе В — 2,53 Вт; а в классе А — 30,2 Вт. КПД усилителей класса D при данной мощности снижается до 78 с 90% при большей мощности. Но даже 78% несравненно лучше, чем КПД классов В и А — 28 и 3% соответственно.
Отличия в КПД и рассеиваемой мощности существенны с точки зрения применения перечисленных усилителей. При уровнях мощности более 1 Вт большие тепловые потери в линейных выходных каскадах приводят к необходимости дополнительных затрат на систему охлаж-
дения.
Для уровней мощности менее 1 Вт нагрев при диссипации энергии в выходном каскаде не так существенен, но здесь важным становится сам факт бесполезной потери энергии. Если система питается от батареи, то линейные выходные каскады будут разряжать батарею намного быстрее, чем системы с усилителями класса D. Из вышеприведенного примера видно, что система с усилителем класса D потребляет тока в 2,8 раза меньше, чем усилители класса В и в 23,6 раза меньше, чем усилители класса А — в результате получается существенная разница во времени автономной работы таких устройств, как сотовые телефоны, MP3-плееры и «наладонники».
До сих пор мы рассматривали только выходной каскад усилителя. Однако, если рассматривать все потребляющие элементы усилительной системы, то линейные усилители становятся более серьезными конкурентами классу D на малых рабочих мощностях. Дело в том, что мощность, которая затрачивается на генерацию и модуляцию импульсного сигнала, относительно велика при малой выходной мощности. Таким образом, суммарные потери хорошо сконструированного усилителя класса АВ при относительно небольшой мощности могут быть примерно такими же, как и потери в усилителе класса D. Но при больших мощностях усилитель класса D имеет неоспоримые преимущества по рассеиваемой мощ-
ности.

 

Сравнение дифференциальной и несимметричной версий

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

 

Особенности усилителей класса D

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

 

Выбор выходного транзистора

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

 

Защита выходного каскада

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

 

Рис. 6. Схема контроля транзисторов с отключением до включения

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

 

Качество звука

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

 

Литература

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

Окончание статьи будет опубликовано в «ЭК2», 2008.

Усилители класса D компании Texas Instruments

3 июня 2009

Традиционные аудиоусилители классов А, В и АВ для мобильных устройств с автономным питанием уже давно перестали устраивать разработчиков из-за их низкого КПД и, как следствие, высокого расхода энергии батареи или аккумулятора. Усилители класса D имеют гораздо более высокий КПД, поэтому именно они наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям к современной портативной технике. Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы и даже мощная усилительная техника для театров и концертных залов) благодаря уменьшению габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с приборами предыдущих поколений классов А, В и АВ. Достижения полупроводниковой технологии последних лет позволили компании Texas Instruments разработать микросхемы для создания высококачественных усилителей звуковой частоты класса D с максимальной выходной мощностью от единиц до нескольких сотен Вт.

Рассеиваемая мощность усилителя, работающего в классе D, существенно меньше, чем у аналогичных приборов класса АВ, работающих в тех же режимах. Это проиллюстрировано на рис. 1 (в качестве примера взята микросхема Texas Instruments TPA2012D2, предназначенная для усилителей портативной техники).

 

 

Рис. 1. Мощности, рассеиваемые усилителями классов АВ и D при одинаковых режимах измерения

Из рисунка 1 хорошо видно, что при одинаковой выходной мощности усилитель класса D имеет потери мощности в несколько раз меньшие по сравнению с аналогичными усилителями класса АВ во всем диапазоне выходных мощностей. Наибольший выигрыш получается при средней выходной мощности. Именно в этом режиме чаще всего и используется аппаратура для воспроизведения звука. Отмеченные свойства дополняет рис. 2, иллюстрирующий зависимости КПД от выходной мощности этих же усилителей при режимах измерения, аналогичных рис. 1. При малой и средней мощностях КПД усилителя класса D в два-три раза выше, чем у усилителя класса АВ.

 

 

Рис. 2. Зависимости КПД от выходной мощности для усилителей класса D и класса АВ при одинаковых режимах измерения

Сравнение эффективности и рассеиваемой мощности для усилителей с очень низкой выходной мощностью может оказаться не в пользу усилителей класса D из-за относительно высокой мощности высокочастотного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине линейные усилители класса АВ при очень низких выходных мощностях иногда оказываются предпочтительнее класса D. Принцип работы простейшего усилителя класса D без обратной связи поясняет рисунок 3.

 

 

Рис. 3. Структурная схема усилителя класса D без обратной связи

Входной сигнал предварительного усилителя модулируется треугольными колебаниями для преобразования в широтно-модулированные импульсы, которые усиливаются выходным каскадом, работающим в ключевом режиме. Далее LC-фильтр низких частот интегрирует импульсы разной длительности и срезает высокочастотные составляющие спектра, оставляя только выделенный сигнал звуковой частоты. Осциллограммы процесса ШИМ для усилителя класса D, выполненного по мостовой схеме, приведены на рис. 4. Модуляция в усилителях класса D может осуществляться разными способами, но наиболее распространена именно ШИМ.

 

 

Рис. 4. Осциллограммы ШИМ в мостовом усилителе класса D

Звуковой сигнал сравнивается с сигналом пилообразной или треугольной формы фиксированной частоты. Первый усилитель на рисунке 3 необходим для предварительного усиления и смещения сигнала до нужного уровня. Второй усилитель и генератор треугольного напряжения образуют модулятор ШИМ. На рисунке 4 длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна уровню входного аналогового сигнала. Мостовой схеме необходимы импульсы ШИМ противоположной полярности для управления другим плечом моста. На рисунках 3 и 4 показаны упрощенные варианты схем. В реальных схемах усилителей класса D обязательно вводятся формирователи времени паузы между импульсами для исключения одновременного включения двух выходных транзисторов и устранения сквозных токов. Частота модуляции и среза низкочастотного фильтра обычно выбирается в несколько раз больше верхней граничной частоты пропускания усилителя. К выбору элементов LC-фильтра необходимо относиться очень внимательно. Этому вопросу уделяется особое внимание в документации производителя и руководствах по применению.

Texas Instruments выпускает микросхемы для создания усилителей класса D низкой, средней и высокой мощности. Параметры для усилителей класса D низкой мощности приведены на рис. 5 и в табл. 1.

 

 

Рис. 5. Микросхемы для усилителей класса D с низкой и средней выходной мощностью

Таблица 1. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c низкой и средней выходной мощностью (аналоговый вход) 

Наименование Описание Стерео/ моно Pвых, Вт Rнагр. (min), Ом Напряжение
питания, B
Half Power THD+N* (%),
F = 1 кГц
PSSR** дБ Корпус(а)
(min) (max)
TPA2017D2 SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс Стерео 2,8 4 2,5 5,5 0,2 80 QFN-20
TPA2000D2 усилитель средней мощности Стерео 2,5 3 4,5 5,5 0,05 77 TSSOP-24
TPA2000D4 усилитель для стереотелефонов Стерео 2,5 4 3,7 5,5 0,1 70 TSSOP-32
TPA2012D2 усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм Стерео 2,1 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2 SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс Стерео 1,7 8 2,5 5,5 0,2 80 WCSP-16
TPA2001D2 усилитель низкой мощности Стерео 1,25 8 4,5 5,5 0,08 77 TSSOP-24
TPA2100P1 для пьзокерамического излучателя Моно 19 Vpp 1,5 мкФ (пьезо) 2,5 5,5 0,2 90 WCSP-16
TPA2035D1 дифференциальный вход, 1,5 х 1,5 мм Моно 2,75 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2032/3/4D1 дифференциальный вход, фикс. усиление Моно 2,75 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2013D1 встроенный повышающий DC/DC-преобр. Моно 2,7 4 1,8 5,5 0,2 95 WCSP-16, QFN-20
TPA2036D1 защита от КЗ с автовосстановлением Моно 2,5 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2031D1 аналог TPA2010D1, но с плавным стартом Моно 2,5 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2010D1 дифференциальный вход;1,45 х 1,45 мм Моно 2,5 4 2,5 5,5 0,2 75 WCSP-9
TPA2018D1 SmartGain AGC/DRC, I2C интерфейс Моно 1,7 8 2,5 5,55 0,2 80 WCSP
TPA2014D1 встроенный повышающий DC/DC-преобр. Моно 1,5 8 2,5 5,5 0,1 91 WCSP-16, QFN-20
TPA2006D1 дифференциальный вход Моно 1,45 8 2,5 5,5 0,2 75 QFN-8
TPA2005D1 дифференциальный вход Моно 1,4 8 2,5 5,5 0,2 75 MSOP-8, QFN-8, BGA-15
*Half Power THD+N – (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц). **PSSR – Power Supply
Rejection Ratio – коэффициент подавления помех по цепям питания

В первую очередь эти микросхемы предназначены для встраивания в мобильные устройства. Подавляющее большинство таких усилителей расчитано на напряжение питания от 2,5 до 5,5 В, но микросхема одноканального усилителя TPA2013D1 имеет расширенный диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В благодаря встроенному повышающему DC/DC-преобразователю (Boosted DC/DC). Это позволило обеспечить постоянство выходной мощности при всем диапазоне рабочих напряжений питания по сравнению с обычными усилителями класса D, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6.

 

 

Рис. 6. Зависимости выходной мощности для TPA2013D1 и для обычных усилителей класса D

При выходной мощности около 1,5 Вт в диапазоне напряжений питания от 2,3 до 4,8 В характеристика находится в пределах ±0,1 Вт. Большинство обычных усилителей этого класса имеют практически линейную зависимость максимальной выходной мощности от напряжения питания. Преимущество усилителей со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем – возможность работы при гораздо более низком напряжении питания батареи (или при ее более глубоком разряде), что повышает степень использования автономного источника питания.

Структурная схема микросхем TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-конвертером показана на рис. 7.

 

 

Рис. 7. Структурная схема TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем

В микросхемах предусмотрена защита от нежелательных переключений при коммутации повышающего DC/DC-преобразователя. Встроенный стабилизатор обеспечивает стабильность характеристик в широком диапазоне напряжений питания. При необходимости выход повышающего DC/DC-преобразователя можно использовать для питания маломощных дополнительных схем портативного устройства. Если внимательно посмотреть на параметр PSSR (коэффициент подавления помех по цепям питания) в табл. 1, то бросается в глаза, что именно усилители со встроенными повышающими DC/DC имеют существенно лучшие значения этого параметра (91…95 дБ) по сравнению с остальными усилителями этого класса.

Среди усилителей с низкой и средней выходной мощностью есть и специализированный для работы на пьезокерамический излучатель с допустимой емкостью до 1,5 мкФ. При этом размах выходного напряжения на емкостной нагрузке достигает 19 В (от пика до пика) при минимально допустимом напряжении питания всего 2,5 В. Необходимо обратить внимание, что параметр (THD + N), характеризующий суммарные гармонические искажения вместе с шумовыми составляющими, измеряется на частоте 1 кГц при половине мощности от допустимого максимального значения.

На рис. 8 приведен навигатор для выбора микросхем усилителей класса D высокой мощности (отсчет высокой мощности для этого класса усилителей Texas Instruments начинает с 3 Вт).

 

 

Рис. 8. Микросхемы для усилителей класса D высокой мощности 

Основные параметры этих микросхем сведены в табл. 2. Некоторые из микросхем, приведенных на рис. 8 и в табл. 2, относятся только к анонсированной продукции, поэтому возможность поставки образцов необходимо проверять на сайте производителя.

Таблица 2. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c высокой выходной мощностью (аналоговый вход)

Наименование Описание Pвых Вт Rнагр.
(min), Ом
Напряжение
питания, B
Half Power THD+N* (%),
F = 1 кГц
PSSR**, дБ Корпус(а)
(min) (max)
TAS5630 300 Вт усилитель (стерео)
с ОС
300 TBD*** TBD 50 TBD 80 QFP-64
TAS5615 150 Вт усилитель (стерео)
с ОС
150 TBD TBD 50 TBD 80 QFP-64
TAS5412 усилитель (стерео) с несимметричным входом 100 2 6 24 0,04 75 HTQFP-64
TAS5422 усилитель (стерео) с симметричным входом 100 2 6 24 0,04 75 HTQFP-64
TAS5414A усилитель (квадро) с несимметричным входом 45 2 8 22 0,04 75 SSOP-36, HTQFP-64
TAS5424A усилитель (квадро) с симметричным входом 45 2 8 22 0,04 75 SSOP-44
TPA3106D1 усилитель (моно) со входом синхронизации 40 4 10 26 0,2 70 HLQFP-32
TPA3123D2 усилитель (стерео) с несимметричным входом 25 4 10 30 0,08 60 HTSSOP-24
TPA3100D2 усилитель (стерео) 20 Вт 20 4 10 26 0,1 80 HTQFP-48, QFN-48
TPA3001D1 усилитель (моно) 20 Вт 20 4 8 18 0,06 73 HTSSOP-24
TPA3110D2 усилитель (стерео) с ограничением мощности 15 4 8 26 <0,1 70 TSSOP-28
TPA3122D2 усилитель (стерео) в корпусе DIP-20 15 4 10 30 <0,15 60 PDIP-20
TPA3107D2 усилитель (стерео) 15 Вт 15 6 10 26 0,08 70 HTQFP-64
TPA3124D2 усилитель (стерео) 15 Вт
с функцией Mute****
15 4 10 26 0,04 60 TSSOP-24
TPA3121D2 усилитель (стерео) с несимметричным входом 15 4 10 26 0,04 60 TSSOP-24
TPA3004D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 12 4 8,5 18 0,1 80 HTQFP-48
TPA3125D2 усилитель (стерео) в корпусе DIP-20 10 4 10 26 0,15 60 PDIP-20
TPA3101D2 усилитель (стерео) 10 Вт 10 4 10 26 0,1 80 HTQFP-48, QFN-48
TPA3111D1 усилитель (моно) с ограничением мощности 10 4 8 26 <0,1 70 TSSOP-28
TPA3002D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 9 8 8,5 14 0,06 80 HTQFP-48
TPA3007D2 усилитель (стерео) 6.5 Вт 6,5 8 8 18 0,2 73 TSSOP-24
TPA3009D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 6 8 8,5 14 0,045 80 HTQFP-48
TPA3005D2 усилитель (стерео) 6 Вт 6 8 8 18 0,1 80 HTQFP-48
TPA3003D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 3 8 8,5 14 0,2 80 TQFP-48
TPA2008D2 усилитель (стерео) c регулировкой громкости 3 3 4,5 5,5 0,05 70 HTSSOP-24
*Half Power THD+N – (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц) **PSSR – Power Supply Rejection Ratio – коэффициент подавления помех по цепям питания ***TBD – To Be Documented – данные будут указаны производителем позднее ****Mute – приглушение звука

На основе микросхем Texas Instruments можно спроектировать усилитель класса D с выходной мощностью до 300 Вт при максимальном напряжении питания до 50 В.

Большой интерес для разработчиков могут представлять новые двухканальные микросхемы для усилителей этого класса TPA3122D2 и TPA3125D2 в корпусе DIP20.

 

 

Рис. 9. Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении каждого канала в режиме SE

 

 

Рис. 10. Зависимости выходной мощности от напряжения питания для TPA3122D при включении двух каналов по мостовой схеме 

Этот корпус удобен для монтажа и макетирования по сравнению с миниатюрными корпусами BGA с шариковыми выводами. Схема включения этих стереоусилителей отличается простотой и приведена на рис. 11. Синим цветом выделены параметры, соответствующие TPA3125D2 (мощность до 10 Вт), красным цветом – TPA3122D2 (мощность до 15 Вт).

 

 

Рис. 11. Схема включения микросхем TPA3125D2 и TPA3122D2 для 10 и 15 Вт соответственно 

Микросхемы имеют два входа регулировки усиления (четыре уровня), а также возможность отключения (Shutdown) и приглушения звука (Mute). На рис. 11 показан самый распространенный вариант включения двухканального усилителя в режиме SE (Single Ended Output – нагрузка подключается к каждому каналу – режим «стерео»). Для существенного увеличения выходной мощности рассматриваемых микросхем можно из двух каналов одной микросхемы создать одноканальный мостовой усилитель (схема BTL – Bridge Tied Load – подключение нагрузки к мостовой схеме). Принципиальные схемы включения микросхем TPA3125D и TPA3122D для мостового варианта усилителя класса D приведены в документации производителя для этих усилителей. На рис. 9 и 10 показаны зависимости выходной мощности от напряжения питания при одинаковых условиях измерения для схем в режиме «стерео» (SE) и для варианта мостового включения (схема BTL).

Измерение максимальной выходной мощности оценивается при конкретном значении суммы всех гармонических искажений и шумовых составляющих (THD + N). При переходе к мостовой схеме включения на одинаковых напряжениях питания, сопротивлении нагрузки и суммарных искажениях сигнала, выходная мощность возрастает в несколько раз. Поэтому в мощных усилителях обычно используют именно мостовую схему включения. Всего одна микросхема в корпусе DIP20 при таком подключении позволяет создать усилитель с максимальной выходной мощностью около 50 Вт при напряжении питания 30 В.

 

Шумы и нелинейные искажения

Основная информация о звуковом сигнале кодируется шириной импульсов на выходе модулятора. Необходимость введения задержки на величину паузы становится причиной нелинейных искажений, пропорциональных отклонению от точной длительности импульса модуляции. Сильное влияние на шумы оказывает коэффициент ослабления помех от источника питания PSSR. Из-за малого сопротивления шумы источника питания могут напрямую передаваться в громкоговоритель. ФНЧ срезает высокочастотные составляющие, но пропускает низкочастотные шумы. Для качественного звучания следует выбирать микросхемы с высоким значением коэффициента ослабления помех от источника питания. Эффективное решение перечисленных проблем – введение глубокой обратной связи, как это делается во многих линейных усилителях. Обратная связь с входа ФНЧ сильно повышает PSSR и ослабляет суммарные искажения и шумы, появляющиеся до LC-фильтра. Искажения в самом фильтре можно уменьшить включением громкоговорителя в цепь ОС. В грамотно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС реально достижим суммарный коэффициент нелинейных искажений менее 0,01%.

 

Основные выводы

Все больше новых аудиоустройств создается на основе экономичных и эффективных усилителей класса D. Многолетний опыт и новые технологии компании Texas Instruments позволяют ей уверенно чувствовать себя на этом рынке с высокой конкуренцией. Усилители класса D позволяют, повышая эффективность, в несколько раз снизить габариты за счет исключения или значительного уменьшения размеров радиаторов в мощных схемах. Требуется менее мощный источник питания, что дополнительно снижает цену усилительного прибора. Для многих рассмотренных в статье микросхем Texas Instruments выпускает демонстрационные платы. Ознакомиться с решениями для построения аудиосистем можно на сайте производителя в разделе www.ti.com/audio, а по системам управления питанием – в разделе www.power.ti.com.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected] 

•••

Наши информационные каналы

Как создать усилитель мощности класса D

Мощный усилитель класса D — соберите его сами и поразитесь его эффективности. Радиатор едва нагревается!

Вы всегда хотели создать свой собственный усилитель мощности звука? Электронный проект, в котором вы не только видите результаты, но и слышите их?

Если ваш ответ утвердительный, вам следует продолжить чтение этой статьи о том, как создать свой собственный усилитель класса D. Я объясню вам, как они работают, а затем шаг за шагом проведу вас, чтобы волшебство произошло самостоятельно.

Теоретические основы

Что такое усилитель мощности звука класса D? Ответ может быть длинным предложением: это коммутирующий усилитель. Но для того, чтобы полностью понять, как он работает, мне нужно научить вас всем его закоулкам и закоулкам.

Начнем с первого предложения. Традиционные усилители, такие как класс AB, работают как линейные устройства. Сравните это с переключающими усилителями, названными так потому, что силовые транзисторы (МОП-транзисторы) действуют как переключатели, меняя свое состояние с ВЫКЛ на ВКЛ.Это обеспечивает очень высокий КПД, до 80 — 95%. Благодаря этому усилитель не выделяет много тепла и не требует большого радиатора, как это делают линейные усилители класса AB. Для сравнения: усилитель класса B может достичь максимальной эффективности 78,5% (теоретически).

Ниже вы можете увидеть блок-схему базового усилителя ШИМ класса D, точно такого же, как тот, который мы строим.

Входной сигнал преобразуется в прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией с помощью компаратора.Это в основном означает, что вход кодируется в рабочий цикл прямоугольных импульсов. Прямоугольный сигнал усиливается, а затем фильтр нижних частот дает более мощную версию исходного аналогового сигнала.

Существуют и другие методы преобразования сигнала в импульсы, такие как ΔΣ (дельта-сигма) модуляция, но для этого проекта мы будем использовать ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция с использованием компаратора

На приведенном ниже графике вы можете увидеть, как мы преобразуем синусоидальный сигнал (входной) в прямоугольный сигнал, сравнивая его с треугольным сигналом.

Нажмите для увеличения

На положительном пике синусоиды коэффициент заполнения прямоугольного импульса составляет 100%, а на отрицательном пике — 0%. Фактическая частота сигнала треугольника намного выше, порядка сотен кГц, так что мы можем позже извлечь наш исходный сигнал.

Настоящий фильтр, а не идеальный, не имеет идеального «кирпичного» перехода от полосы пропускания к полосе задерживания, поэтому мы хотим, чтобы треугольный сигнал имел частоту как минимум в 10 раз выше 20 кГц, что соответствует верхнему уровню человеческого слуха. предел.

Силовой каскад — теоретически все звучит хорошо

Теория — это один аспект, а практика — другой. Если мы захотим применить на практике предыдущую блок-схему, мы столкнемся с некоторыми проблемами.

Две проблемы — время нарастания и спада устройств в силовом каскаде и тот факт, что мы используем транзистор NMOS для драйвера верхнего плеча.

Поскольку переключение полевых МОП-транзисторов не происходит мгновенно, а больше похоже на подъем и спуск по холму, время включения транзисторов будет перекрываться, создавая низкоомное соединение между положительной и отрицательной шинами питания.Это вызывает прохождение сильноточного импульса через наши полевые МОП-транзисторы, что может привести к отказу.

Чтобы предотвратить это, нам нужно добавить некоторое время запаздывания между сигналами, которые управляют полевыми МОП-транзисторами со стороны высокого и низкого уровня. Один из способов добиться этого — использовать специализированный драйвер MOSFET от International Rectifier (Infineon), например IR2110S или IR2011S. Кроме того, эти ИС обеспечивают повышенное напряжение затвора, необходимое для высокоскоростного NMOS.

Фильтр низких частот

Для стадии фильтрации один из лучших способов сделать это — использовать фильтр Баттерворта.

Фильтры этого типа имеют очень ровный отклик в полосе пропускания. Это означает, что сигнал, которого мы хотим добиться, не будет слишком сильно ослаблен.

Мы хотим отфильтровать частоты выше 20 кГц. Частота среза рассчитывается как -3 дБ, поэтому мы хотим, чтобы она была немного выше, чтобы не фильтровать звуки, которые мы хотим слышать. Лучше всего выбирать от 40 до 60 кГц. Фактор качества \ [Q = \ frac {1} {\ sqrt {2}} \].

Это формулы, используемые для расчета номиналов индуктивности и конденсатора:

\ [L = \ frac {R_ {L} \ sqrt {2}} {2 \ cdot \ pi \ cdot f_ {c}} \]

\ [C = \ frac {1} {2 \ sqrt {2} \ cdot \ pi \ cdot f_ {c} \ cdot R_ {L}} \]

Создание усилителя своими руками (Luke-The-Warm)

Теперь, когда мы знаем, как работает усилитель класса D, давайте построим его.

Прежде всего, я назвал этот усилитель Luke-The-Warm, потому что радиатор почти не нагревается, в отличие от усилителя класса AB, у которого радиатор может сильно нагреваться, если не будет активно охлаждаться.

Ниже вы можете увидеть схему разработанного мной усилителя. Он основан на эталонном дизайне IRAUDAMP1 от International Rectifier (Infineon). Основное отличие состоит в том, что вместо ΔΣ-модуляции у меня используется ШИМ.

Нажмите для увеличения

Теперь я расскажу вам о некоторых вариантах дизайна и о том, как компоненты работают друг с другом. Начнем с левой стороны.

Входная схема

Для входной схемы я решил, что лучше всего использовать фильтр верхних частот, а затем фильтр нижних частот.Это так просто.

Генератор треугольников

В качестве генератора треугольников я использовал LMC555, который является КМОП-вариантом знаменитого чипа 555. Зарядка и разрядка конденсатора дает красивый треугольник, который не идеален (он поднимается и опускается экспоненциально), но если время нарастания и спада равны, он работает отлично.

Значения резистора и конденсатора устанавливают частоту примерно 200 кГц. Если оно будет выше, то мы столкнемся с проблемами, потому что компаратор и драйвер MOSFET — не самые быстрые устройства.

Компаратор

В качестве компаратора вы можете использовать любой компонент, который вам нужен — он просто должен быть быстрым. Я использовал то, что у меня было, LM393AP. При времени отклика 300 нс это не самый быстрый и, безусловно, можно улучшить, но он справляется со своей задачей. Если вы хотите использовать другие микросхемы, просто убедитесь, что контакты совпадают, иначе вам придется изменить конструкцию печатной платы.

Теоретически операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора, но на самом деле операционные усилители предназначены для других типов работы, поэтому убедитесь, что вы используете фактический компаратор.

Поскольку нам нужны два выхода компаратора, один для драйвера верхнего плеча и один для драйвера нижнего уровня, я решил использовать LM393AP. Это два компаратора в одном корпусе, и мы просто меняем входы для второго компаратора. Другой подход — использовать компаратор с двумя выходами, например LT1016 от Linear Technology. Эти устройства могут предложить несколько улучшенную производительность, но они также могут быть более дорогими.

Эти компараторы питаются от биполярного источника питания 5 В, обеспечиваемого двумя стабилитронами, которые регулируют напряжение от основного источника питания, которое составляет ± 30 В.

Драйвер MOSFET

Для драйвера MOSFET я выбрал IR2110. Альтернативой является IR2011, который используется в эталонном дизайне. Эта интегральная схема обязательно добавляет то мертвое время, о котором я говорил в предыдущем разделе.

Поскольку вывод VSS микросхемы подключен к отрицательному источнику питания, нам необходимо выровнять смещение сигналов от компаратора. Это делается с помощью транзистора PNP и диодов 1N4148.

Для управления полевыми МОП-транзисторами мы запитываем IR2110 12 В относительно отрицательного напряжения источника питания; это напряжение генерируется с помощью BD241 в сочетании с стабилитроном 12 В. Полевой МОП-транзистор высокого уровня должен управляться напряжением затвора, которое примерно на 12 В выше коммутирующего узла VS. Для этого требуется напряжение выше положительного напряжения питания; IR2110 обеспечивает это напряжение возбуждения с помощью конденсатора начальной загрузки C10.

Фильтр

Наконец-то фильтр.Частота среза составляет 40 кГц, а сопротивление нагрузки — 4 Ом, потому что у нас есть динамик на 4 Ом (значения, используемые здесь, также будут работать с динамиком на 8 Ом, но лучше всего настроить фильтр в соответствии с динамиком. твой выбор). Имея эту информацию, мы можем рассчитать номиналы катушки индуктивности и конденсатора:

\ [L = \ frac {4 \ sqrt {2}} {2 \ cdot \ pi \ cdot 40000} H = 22,508 \ mu H \]

Мы можем безопасно округлить до 22 мкГн.

\ [C = \ frac {1} {2 \ sqrt {2} \ cdot \ pi \ cdot 40000 \ cdot 4} F = 0.703 \ mu H \]

Ближайшее стандартное значение — 680 нФ.

Примечания к сборке

Теперь, когда вы знаете все о внутреннем устройстве, все, что вам нужно сделать, это очень внимательно прочитать следующие несколько строк, загрузить файлы ниже, купить необходимые компоненты, протравить печатную плату и начать сборку.

Фильтр низких частот

Для фильтра нижних частот вы можете использовать конденсатор 680 нФ, чтобы максимально приблизиться к расчетному значению, но вы также можете без проблем использовать конденсатор 1 мкФ (я спроектировал печатную плату так, чтобы вы могли использовать два конденсатора параллельно смешивать и сочетать).

Эти конденсаторы должны быть полипропиленовыми или полиэфирными — в общем, использовать керамические конденсаторы для аудиосигналов — не лучшая идея. И вам нужно убедиться, что конденсаторы, которые вы используете для фильтрации, рассчитаны на высокое напряжение, по крайней мере, 100 В переменного тока (больше не повредит). Остальные конденсаторы в конструкции также должны иметь соответствующее номинальное напряжение.

Я разработал этот усилитель для выходной мощности около 100–150 Вт. Следует использовать биполярный источник питания с шинами ± 30 В.Вы можете установить более высокое значение, но для напряжений около ± 40 В необходимо убедиться, что вы изменили значения резисторов R4 и R5 на 2K2.

Не обязательно, но настоятельно рекомендуется использовать радиатор для BD241C, так как он сильно нагревается.

МОП-транзисторы

Что касается силовых полевых МОП-транзисторов, я предлагаю использовать IRF540N или IRFB41N15D. Эти полевые МОП-транзисторы имеют низкий заряд затвора для более быстрого переключения и низкий уровень R DS (включен) для снижения энергопотребления.Вам также необходимо убедиться, что MOSFET имеет соответствующее максимальное значение V DS (напряжение сток-исток). Вы можете использовать IRF640N, но R DS (on) значительно выше, что приводит к усилителю с более низким КПД. Вот таблица, в которой сравниваются эти три полевых МОП-транзистора:

МОП-транзистор Макс. В DS (В) I D (А) Qg (нКл) R DS (вкл.) (Ом)
IRFB41N15D 150 41 72 0.045
IRF540N 100 33 71 0,044
IRF640N 200 18 67 0,15
Индуктор

Теперь индуктор. Вы можете купить уже сделанный, но я бы посоветовал вам намотать свой собственный — в конце концов, это проект DIY.

Купите тороид Т106-2. Это должен быть железный порошок; феррит может работать, но для этого потребуется зазор, иначе он пропитается.Используя указанный тороид, намотайте 40 витков эмалированного медного провода диаметром 0,8-1 мм (AWG20-18). Вот и все. Не волнуйтесь, если это не идеально — просто затяните.

Резисторы

Наконец, все резисторы, если не указано иное (R4, R5), имеют мощность 1/4 Вт.

Тестирование

Когда я проектировал печатную плату, я сделал ее так, чтобы ее было очень легко протестировать. Входной сигнал имеет собственный разъем и две плоские клеммы для заземления: одну для источника питания и одну для динамика.

Чтобы убрать гул (50/60 Гц от частоты сети), я использовал конфигурацию «звезда-земля»; это означает подключение всех заземлений (заземления усилителя, заземления сигнала и заземления динамика) в одной и той же точке, предпочтительно на печатной плате источника питания, после схемы выпрямителя.

Полный список материалов можно найти в файлах ниже, где вы также можете найти файлы печатных плат как в формате PDF, так и в виде файлов KiCAD.

Goodies.zip

Последние мысли

Я надеюсь, что информации в этой статье достаточно для того, чтобы вы смогли собрать свой собственный усилитель мощности звука.Я надеюсь, что это также вдохновит вас на создание собственного усилителя.

Есть много вещей, которые можно улучшить в этом проекте. У вас есть вся необходимая информация и файлы, но вам не нужно следовать им в точности.

Вы можете использовать компоненты SMD, улучшить схему компаратора, используя дополнительный выход, или попробовать IR2011S вместо IR2110. Просто запустите этот паяльник, протравите печатную плату и приступайте к работе.Не беда, если не сработает с первого раза.

Все дело в методе проб и ошибок. Когда вы наконец услышите четкий звук из динамика, это того стоит.

Если у вас возникли проблемы с вашей сборкой, оставьте комментарий здесь или опубликуйте сообщение на форуме, используя как можно больше информации. Мы будем работать над этим.

Попробуйте сами! Получите спецификацию.

Как создать схему высокоэффективного усилителя звука класса D с использованием полевых МОП-транзисторов

Аудиоконтент прошел долгий путь за последние десятилетия, от классического лампового усилителя до современных медиаплееров, технологические достижения изменили представление о цифровых медиа потребляется.Среди всех этих нововведений портативные медиаплееры стали одними из первых, выбранных потребителями, благодаря их яркому качеству звука и длительному времени автономной работы. Итак, как это работает и как это хорошо звучит. Мне, как энтузиасту электроники, всегда приходит этот вопрос. Несмотря на достижения в технологии громкоговорителей, усовершенствования методологии усиления сыграли большую роль, и очевидным ответом на этот вопрос является усилитель класса D. Итак, в этом проекте мы воспользуемся возможностью, чтобы обсудить усилитель класса D и узнать его плюсы и минусы.Наконец, мы создадим аппаратный прототип усилителя и протестируем его работоспособность. Звучит интересно! Итак, приступим к делу.

Если вас интересуют схемы аудиоусилителей, вы можете ознакомиться с нашими статьями по теме, где мы построили схемы с использованием операционных усилителей, полевых МОП-транзисторов и микросхем, таких как TDA2030, TDA2040 и TDA2050.

Основы усилителя класса D

Что такое аудиоусилитель класса D? Самый простой ответ — это коммутирующий усилитель .Но чтобы понять его работу, нам нужно узнать, как он работает и как вырабатывается сигнал переключения, для этого вы можете следовать блок-схеме, приведенной ниже.

Так почему же коммутирующий усилитель? Очевидный ответ на этот вопрос — эффективность. По сравнению с усилителями класса A, класса B и класса AB, аудиоусилитель класса D может достигать эффективности до 90-95%. Если максимальный КПД усилителя класса AB составляет 60-65%, потому что они работают в активной области и демонстрируют низкие потери мощности, вы можете это выяснить, если умножить напряжение коллектор-эмиттер на ток.Чтобы узнать больше по этой теме, ознакомьтесь с нашей статьей о классах усилителей мощности, в которой мы обсудили все связанные факторы потерь.

Теперь вернемся к нашей упрощенной блок-схеме аудиоусилителя класса D , как вы можете видеть на неинвертирующем терминале, у нас есть аудиовход, а на инвертирующем терминале — высокочастотный треугольный сигнал. В этот момент, когда напряжение входного аудиосигнала больше, чем напряжение треугольной волны, выход компаратора становится высоким, а когда сигнал низкий, выходным.В этой настройке мы просто модулировали входной аудиосигнал с помощью высокочастотного сигнала несущей, который затем подключается к ИС управления затвором полевого МОП-транзистора, и, как следует из названия, драйвер используется для управления затвором двух полевых МОП-транзисторов для обоих полевых МОП-транзисторов. сторона и низкая сторона один раз. На выходе мы получаем мощную высокочастотную прямоугольную волну на выходе, которую мы пропускаем через каскад фильтра нижних частот, чтобы получить наш окончательный аудиосигнал.

Компоненты, необходимые для построения схемы усилителя звука класса D

Теперь мы разобрались с основами аудиоусилителя класса D и можем перейти к поиску компонентов для создания усилителя DIY класса D r.Поскольку это простой тестовый проект, требования к компонентам очень общие, и вы можете найти большинство из них в местном магазине для хобби. Список компонентов с изображением приведен ниже.

Список деталей для создания усилителя мощности класса D:

  1. IR2110 IC — 1
  2. Lm358 Операционный усилитель — 1
  3. NE555 Таймер IC — 1
  4. LM7812 IC — 1
  5. LM7805 IC — 1
  6. Конденсатор 102 пФ — 1
  7. Конденсатор 103 пФ — 1
  8. Конденсатор 104 пФ — 2
  9. Конденсатор 105 пФ — 1
  10. Конденсатор 224 пФ — 1
  11. Конденсатор 22 мкФ — 1
  12. Конденсатор 470 мкФ — 1
  13. Конденсатор 220 мкФ — 1
  14. Конденсатор 100 мкФ — 2
  15. 2.Резистор 2К — 1
  16. Резистор 10 кОм — 2
  17. Резистор 10R — 2
  18. Аудиоразъем 3,5 мм — 1
  19. Винтовой зажим 5,08 мм — 2
  20. UF4007 Диод — 3
  21. МОП-транзисторы IRF640 — 2
  22. Обрезной горшок 10K — 1
  23. Индуктор 26uH ​​- 1
  24. Разъем для наушников 3,5 мм — 1

Усилитель звука класса D — принципиальная схема

Принципиальная схема нашей схемы усилителя класса D показана ниже:

Построение схемы на PerfBoard

Как вы можете видеть на основном изображении, мы сделали схему на куске монтажной платы.Потому что, во-первых, схема очень проста, а во-вторых, если что-то пойдет не так, мы можем быстро и легко ее изменить. Мы сделали большую часть соединений с помощью медного провода, но на некоторых заключительных этапах нам пришлось использовать несколько соединительных проводов для завершения сборки. Завершенная схема перфокарта показана ниже.

Работа усилителя звука класса D

В этом разделе мы рассмотрим все основные блоки схемы и объясним каждый блок. Этот аудиоусилитель класса D на базе операционного усилителя состоит из очень общих компонентов, которые вы можете найти в своем местном магазине для хобби.

Регуляторы входного напряжения:

Начнем с регулирования входного напряжения с помощью регулятора напряжения LM7805 на 5 В и регулятора напряжения LM7812 на 12 В. Это важно, потому что мы собираемся запитать схему с помощью адаптера постоянного тока 13,5 В, а для питания микросхем NE555 и IR2110 необходим источник питания 5 В и 12 В.

Генератор треугольных волн с нестабильным мультивибратором 555:

Как вы можете видеть на изображении выше, мы использовали таймер 555 с 2.Резистор 2K для генерации треугольного сигнала 260 кГц, если вы хотите узнать больше о Astable Multivibrator, вы можете проверить нашу предыдущую публикацию о схеме нестабильного мультивибратора на основе таймера 555, где мы описали все необходимые вычисления.

Цепь модуляции:

Как вы можете видеть на изображении выше, мы использовали простой операционный усилитель LM358 для модуляции входного аудиосигнала. Говоря о входящих аудиосигналах, мы использовали два входных резистора 10 кОм для получения аудиосигнала, а поскольку мы используем один источник питания, мы прикрепили потенциометр для смещения нулевого сигнала, присутствующего во входном аудиосигнале.Выход этого компаратора будет высоким, когда значение входного аудиосигнала больше, чем входная треугольная волна, а на выходе мы получим модулированную прямоугольную волну, которую мы затем подадим на ИС драйвера затвора MOSFET.

Микросхема драйвера затвора полевого МОП-транзистора IR2110:

Поскольку мы работаем с некоторыми умеренно высокими частотами, мы использовали ИС драйвера затвора MOSFET для правильного управления MOSFET. Вся необходимая схема размещена в соответствии с рекомендациями спецификации IR2110 IC.Для правильной работы этой ИС требуется инвертированный сигнал входного сигнала, поэтому мы использовали BF200, высокочастотный транзистор для генерации инвертированной прямоугольной волны входного сигнала.

Выходной каскад полевого МОП-транзистора:

Как вы можете видеть на изображении выше, у нас есть выходной каскад MOSFET, который также является основным выходным драйвером, поскольку мы имеем дело с высокой частотой и индукторами, всегда присутствуют переходные процессы, поэтому мы использовали некоторые UF4007 в качестве обратные диоды, которые предотвращают повреждение полевых МОП-транзисторов.

LC фильтр нижних частот:

Выходной сигнал каскада драйвера MOSFET представляет собой высокочастотную прямоугольную волну, этот сигнал абсолютно не подходит для управления нагрузками, такими как громкоговоритель. Чтобы предотвратить это, мы использовали катушку индуктивности 26 мкГн с неполяризованным конденсатором 1 мкФ, чтобы сделать фильтр нижних частот , который обозначается как C11. Так работает простая схема.

Тестирование цепи усилителя класса D

Как вы можете видеть на изображении выше, я использовал адаптер питания 12 В для питания схемы.Поскольку я использую доступный китайский, он выдает немного больше, чем 12 В, а точнее 13,5 В, что идеально подходит для нашего встроенного стабилизатора напряжения LM7812. В качестве нагрузки я использую динамик на 4 Ом, 5 Вт. В качестве аудиовхода я использую свой ноутбук с длинным аудиоразъемом 3,5 мм.

Когда схема включена, нет заметного гудящего звука, который вы можете получить от других типов усилителей, но, как вы можете видеть на видео, эта схема не идеальна и имеет проблему отсечения на более высоких уровнях входного сигнала, поэтому в этой схеме есть много возможностей для улучшений.Поскольку я управлял умеренно низкими нагрузками, полевые МОП-транзисторы вообще не нагревались, и, следовательно, для этих тестов не требовался радиатор.

Дополнительные улучшения

Эта схема усилителя мощности Class D представляет собой простой прототип и имеет много возможностей для улучшений. Моя основная проблема с этой схемой заключалась в методе выборки, которую необходимо улучшить. Чтобы уменьшить ограничение усилителя, необходимо рассчитать правильные значения индуктивности и емкости, чтобы получить идеальный каскад фильтра нижних частот.Как всегда, схема может быть выполнена на печатной плате для лучшей производительности. Можно добавить схему защиты, которая защитит схему от перегрева или короткого замыкания.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть какие-либо сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.

Принципиальная схема усилителя 170 Вт класса D

с LM4651 и LM4652

Комбинация драйвера LM4651 IC и усилителя мощности MOSFET класса D LM4652 обеспечивает высокоэффективное решение усилителя, подходящее для динамиков с автономным питанием, сабвуферов и качественных автомобильных усилителей .

LM 4651 — это полностью интегрированный драйвер обычного широтно-импульсного модулятора (ШИМ), содержащий схемы защиты от пониженного напряжения, короткого замыкания, перемодуляции и теплового отключения. Микросхема имеет функцию ожидания, которая отключает широтно-импульсную модуляцию, сводя к минимуму ток питания.

LM 4652 — это полностью интегрированная ИС с H-мостом Power Mosfet в блоке питания TO220. Микросхема имеет встроенный датчик температуры, который предупреждает LM4651, когда температура кристалла превышает пороговый предел.

При совместном использовании LM4651 и LM4652 образуют простое, компактное, эффективное, высококачественное решение для аудиоусилителя мощности с защитой, обычно встречающейся только в усилителях класса AB.

Максимальная эффективность этой схемы составляет 85% при 125 Вт с затуханием в режиме ожидания более 100 дБ. THD при 10 Вт, 4 Ом, 10 — 500 Гц составляет макс. 0,3%. Напряжение питания не может превышать ± 22 В.

Для достижения наилучших характеристик требуется подходящий предусилитель .При добавлении предусилителя усиление силового каскада может быть значительно уменьшено для повышения производительности. Коэффициент усиления должен быть установлен на 10 В / В, чтобы обеспечить низкое усиление на каскаде класса D при достаточно высоком общем системном усилении, чтобы быть полным решением для источников линейного уровня.

Используемый здесь входной фильтр не приводит к заметному увеличению коэффициента нелинейных искажений, но помогает поддерживать ровную частотную характеристику, поскольку добротность выходного фильтра изменяется в зависимости от импеданса нагрузки.

Примечания к дизайну, полные спецификации и рекомендуемые эталонные конструкции печатных плат можно найти здесь.

Не пытайтесь сделать этот усилитель своим первым проектом! Усилители высокой мощности класса D дороги, сложны в сборке, и очень небольшая ошибка во время сборки может привести к полному выходу из строя ИС питания или других дорогостоящих компонентов.

Принципиальная схема усилителя мощности класса D

, работа, формы сигналов, теория работы

Усилитель мощности класса D.

Усилитель мощности класса D — это тип аудиоусилителя, в котором устройства управления мощностью работают как двоичные переключатели.Поскольку устройства управления питанием (МОП-транзисторы) работают как совершенные двоичные переключатели, не тратится время между переключениями каскадов и не тратится энергия при нулевом входном состоянии. Усилители мощности класса D намного энергоэффективны по сравнению со своими предшественниками, такими как класс A, класс B и класс AB. Из списка наиболее эффективный класс AB имеет максимальный теоретический КПД 78,5%. В практическом сценарии с реальными динамиками в качестве нагрузки эффективность усилителей класса AB может упасть до 50%.В то же время хорошо спроектированный усилитель класса D с настоящими динамиками при нагрузке никогда не опустится ниже 90% с точки зрения эффективности. Теоретическая эффективность усилителя класса D составляет идеальные 100%.

Идеальный двоичный переключатель пропускает через него весь ток без напряжения, когда он включен. Когда он выключен, все напряжение остается на нем, и ток через него не течет. Это означает, что мощность не тратится на переключающий элемент, который выполняет усиление, и это объясняет невероятную эффективность усилителя класса D.И наоборот, усилитель класса AB всегда будет иметь некоторый ток, проходящий через переключающий элемент, и некоторое напряжение, остающееся на переключающем элементе.

Более высокий КПД означает низкое тепловыделение и означает меньшее рассеивание энергии по сравнению с предшественниками (Класс A, Класс B, Класс AB и Класс D). Поскольку усилители класса D обладают высокой энергоэффективностью, для них требуется меньший радиатор и меньший блок питания. Меньший радиатор и меньший блок питания уменьшают размер, и это главное преимущество усилителя класса D.Усилители класса D стали очень популярными в таких приложениях, как портативные аудиоустройства, портативные домашние кинотеатры, мобильные телефоны и т. Д., Где все в этих случаях выходная мощность должна быть приличной (с точки зрения мощности и точности воспроизведения), а размер должен быть как можно меньшим. Класс D — единственный вариант объединения всех этих требований.

Типичный усилитель мощности класса D состоит из генератора пилообразных сигналов, компаратора (на основе OPAMP), схемы переключения и фильтра нижних частот. Блок-схема усилителя класса D показана на рисунке ниже.

Генератор пилообразных сигналов.

Генератор пилообразного сигнала генерирует высокочастотный пилообразный сигнал для дискретизации входного аудиосигнала. Частота пилообразного сигнала обычно выбирается в 10 раз больше максимальной интересующей частоты входного аудиосигнала.

Компаратор.

Основная задача компаратора заключается в оцифровке входного аудиосигнала путем смешивания его с пилообразной формой волны. Результатом этого микширования будет цифровая копия аналогового входного сигнала.Низкочастотные компоненты цифрового сигнала будут представлять входной аудиосигнал, а высокочастотные компоненты цифрового сигнала не представляют интереса. Формы входных и выходных сигналов компаратора показаны на рисунке ниже.

Коммутационная цепь.

Несмотря на то, что выход компаратора является цифровым представлением входного аудиосигнала, он не может управлять нагрузкой (динамиком). Задача схемы переключения — обеспечить достаточный коэффициент усиления по току и напряжению, который необходим для усилителя.Схема переключения обычно построена на полевых МОП-транзисторах. Формы входных и выходных сигналов схемы переключения показаны на рисунке ниже.

Фильтр нижних частот.

Задача фильтра нижних частот — отфильтровать полезные низкочастотные составляющие на выходе схемы переключения. Выходной сигнал фильтра нижних частот будет масштабированной копией входного аудиосигнала. Контуры отрицательной обратной связи часто включаются между выходом фильтра нижних частот и аудиовходом компаратора, чтобы бороться с ошибками.

Преимущества усилителя класса D.
  • Низкое тепловыделение.
  • Уменьшенный размер и вес.
  • Высокая эффективность преобразования мощности. Практически вся потребляемая мощность поступает на нагрузку.
Недостатки усилителя класса D.
  • Требуется очень чистый и стабильный источник питания.
  • Высокочастотная характеристика зависит от импеданса громкоговорителя.

Усилитель высокой мощности класса D D4K5

Эта схема усилителя высокой мощности представляет собой усилитель мощности класса D, который имеет достаточно высокую мощность, чтобы генерировать мощность 1000 Вт при сопротивлении 8 Ом, а также большую мощность до 2000 Вт при сопротивлении 4 Ом.Этот усилитель мощности может генерировать большую мощность при наличии достаточного источника питания. Например, вы можете использовать трансформатор 30А с симметричным напряжением 100В. Вот принципиальная схема усилителя высокой мощности класса D D4K5:

.

Список компонентов

Резистор

R1, R3, R4, R9, R13, R18, R19, R20 = 1K

R2, R16, R39 = 100 тыс.

R5, R6 = 10R

R7, R8 = 6K8 / 2W

R10, R21, R26, R27 = 4K7

R11, R17 = 6K8

R12 = 100R

R14, R15 = 4R7

R22, R23, R24, R25, R31, R33 = 47R

R28, R29, R30 = 0,1R / 2W

R36, R38 = 22R / 2W

R40 = 1K5 / 5 Вт

R41 = 10R / 2W

RV1 = 10K Trimpot

Конденсатор

C1 = 10 мкФ / 16 В

C2 = 10N

C3, C4 = 1N

C5 = 470 мкФ / 16 В

C6 = 220 мкФ / 16 В

C7, C9, C11, C12, C13, C15, C16, C18, C19 = 100N MKP

C8 = 470 мкФ / 16 В

C10, C14, C17 = 100 мкФ / 16 В

C20 = 10 мкФ / 50 В

C21, C22, C23 = 220 Н / 475 В

C24, C25, C26 = 470 мкФ / 180 В

C27, C31, C33 = 100 Н / 275 В

C28, C29, C30 = 470 мкФ / 180 В

C32 = 470N / 250V

Диод

D1, D2, D5, D10, D11 = 1N4148

D3, D4 = ZD5V6

D6, D18, D19 = MUR460

D7 = светодиод (КРАСНЫЙ) OCP

D8 = ZD5V6

D9 = светодиод (СИНИЙ)

D12, D13, D14, D15, D16, D17 = 1N5819

Транзистор

Q1 = 2N5401

Q4, Q6 = BD139

Q5, Q7 = BD140

Q8, Q9, Q10, Q11, Q12, Q13 = IRFP260

IC

U1 = TL071

Q2 = CD4049

Q3 = IR2110

U2 = NE555

U3 = LM311

Усилитель мощности использует компоненты просмотра, и этот усилитель мощности включает OCP, DCP.И с использованием 6x N-Channel Power Mosfet. Вы можете использовать IRFP260, IRFP4227, IRFP4242 и другие. Если вы хотите сделать этот усилитель мощности, см. Следующий макет печатной платы

.

Основы усилителей класса D

Введение
Большинство инженеров-проектировщиков аудиосистем хорошо осведомлены о преимуществах энергоэффективности усилителей класса D по сравнению с линейными аудиоусилителями классов, таких как классы A, B и AB. В линейных усилителях, таких как класс AB, значительное количество мощности теряется из-за элементов смещения и линейной работы выходных транзисторов.Поскольку транзисторы усилителя класса D используются просто как переключатели для управления током через нагрузку, минимальная мощность теряется из-за выходного каскада. Любые потери мощности, связанные с усилителем класса D, в первую очередь связаны с активным сопротивлением выходного транзистора, коммутационными потерями и накладными расходами по току покоя. Большая часть мощности, теряемой усилителем, рассеивается в виде тепла. Поскольку в усилителях класса D требования к радиатору могут быть значительно уменьшены или полностью устранены, они идеально подходят для компактных мощных приложений.

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

Основы усилителей класса D
Хотя в современных усилителях класса D используется множество топологий модулятора, 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, полевые МОП-транзисторы с p-каналом и n-каналом работают как переключатели управления током, поочередно подключая выходной узел к V DD и земле. Поскольку выходные транзисторы переключают выход либо на V DD , либо на землю, результирующий выход усилителя класса D представляет собой высокочастотную прямоугольную волну.Частота переключения (f SW ) для большинства усилителей класса D обычно составляет от 250 кГц до 1,5 МГц. Выходной прямоугольный сигнал модулируется широтно-импульсной модуляцией входным звуковым сигналом. ШИМ достигается путем сравнения входящего аудиосигнала с внутренне генерируемым треугольным (или пилообразным) генератором. Этот тип модуляции также часто называют «естественной дискретизацией», когда треугольный генератор действует как тактовая частота дискретизации. 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.


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


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

Чтобы извлечь усиленный аудиосигнал из этого сигнала ШИМ, выходной сигнал усилителя класса D подается на фильтр нижних частот.LC-фильтр нижних частот, показанный на рисунке 1, действует как пассивный интегратор (при условии, что частота среза фильтра по крайней мере на порядок ниже, чем частота переключения выходного каскада), выходной сигнал которого равен среднему значению прямоугольной волны. . Кроме того, фильтр нижних частот предотвращает рассеяние высокочастотной коммутационной энергии в резистивной нагрузке. Предположим, что отфильтрованные выходное напряжение (V O_AVG ) и ток (I AVG ) остаются постоянными в течение одного периода переключения.Это предположение довольно точное, потому что f SW намного больше, чем самая высокая входная звуковая частота. Следовательно, взаимосвязь между рабочим циклом и результирующим отфильтрованным выходным напряжением может быть получена с помощью простого анализа во временной области напряжения и тока катушки индуктивности.

Мгновенный ток, протекающий через катушку индуктивности, равен:

, где V L (t) — мгновенное напряжение на катушке индуктивности с использованием знака, показанного на рисунке 1.

Поскольку средний ток (I AVG ), протекающий в нагрузку, предполагается постоянным в течение одного периода переключения, ток катушки индуктивности в начале периода переключения (T SW ) должен быть равен току катушки индуктивности в конце. периода переключения, как показано на Рисунок 3 .

С математической точки зрения это означает, что:


Рис. 3. Кривые тока и напряжения фильтра индуктивности показаны для базового полумостового усилителя класса D.

Уравнение 2 показывает, что интеграл напряжения индуктора за один период переключения должен быть равен 0. Используя уравнение 2 и исследуя форму сигнала V L (t), показанную на рисунке 3, становится ясно, что абсолютные значения области (A ON и A OFF ) должны быть равны друг другу, чтобы уравнение 2 было истинным. Имея эту информацию, мы можем теперь вывести выражение для отфильтрованного выходного напряжения в терминах продолжительности включения сигнала переключения:

Подставив уравнения 4 и 5 в уравнение 3, мы получим новое уравнение:

Наконец, решение для V O дает:

где D — скважность сигнала переключения выхода.

Использование обратной связи для повышения производительности
Многие усилители класса D используют отрицательную обратную связь от выхода ШИМ до входа устройства. Подход с обратной связью не только улучшает линейность устройства, но также позволяет устройству иметь отказ от источника питания. Это контрастирует с усилителем с разомкнутым контуром, который по своей сути имеет минимальное (если есть) подавление подачи питания. Поскольку форма выходного сигнала воспринимается и возвращается на вход усилителя в топологии с замкнутым контуром, отклонения в шине питания обнаруживаются на выходе и корректируются контуром управления.Преимущества конструкции с обратной связью достигаются ценой возможных проблем со стабильностью, как и в случае со всеми системами, использующими обратную связь. Следовательно, контур управления должен быть тщательно спроектирован и скомпенсирован для обеспечения стабильности во всех рабочих условиях. Типовые усилители

класса D работают с контуром обратной связи с формированием шума, который значительно снижает внутриполосный шум из-за нелинейностей широтно-импульсного модулятора, выходного каскада и отклонений напряжения питания. Эта топология аналогична формированию шума, используемому в сигма-дельта модуляторах.Чтобы проиллюстрировать эту функцию формирования шума, на рис. 4 показана упрощенная блок-схема формирователя шума 1-го порядка. Сеть обратной связи обычно состоит из цепи резистивного делителя, но для простоты в примере, показанном на рисунке 4, используется коэффициент обратной связи, равный 1. Кроме того, передаточная функция для интегратора была упрощена до 1 / с, поскольку коэффициент усиления идеальный интегратор обратно пропорционален частоте. Также предполагается, что блок PWM имеет вклад в единичное усиление и нулевой фазовый сдвиг в контур управления.Используя базовый анализ блока управления, для выходного сигнала можно получить следующее выражение:


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

Уравнение 8 показывает, что шумовой член E n (s) умножается на функцию фильтра верхних частот (функция передачи шума), в то время как входной член, V IN (s), умножается на фильтр нижних частот. функция фильтра (функция передачи сигнала).Отклик фильтра верхних частот функции передачи шума формирует шум усилителя класса D. Если частота среза выходного фильтра выбрана правильно, большая часть шума выталкивается за пределы полосы (рисунок 4). В то время как предыдущий пример имел дело с формирователем шума 1-го порядка, многие современные усилители класса D используют топологии формирования шума нескольких порядков для дальнейшей оптимизации линейности и подавления подачи питания.

Топологии класса D — полумост против полного моста
Многие усилители класса D также реализованы с использованием полного мостового выходного каскада.Полный мост использует две ступени полумоста для дифференцированного управления нагрузкой. Этот тип подключения нагрузки часто называют мостовой нагрузкой (BTL). Как показано на рис. 5 , полная мостовая конфигурация работает путем чередования путей проводимости через нагрузку. Это позволяет двунаправленному току проходить через нагрузку без необходимости в отрицательном источнике питания или блокирующем конденсаторе постоянного тока.


Рис. 5. Традиционный полномостовой выходной каскад класса D использует два полумостовых каскада для дифференцированного управления нагрузкой.

На рисунке 6 показаны формы выходных сигналов традиционных усилителей класса D на основе BTL и ШИМ. На рисунке 6 формы выходных сигналов дополняют друг друга, что создает дифференциальный сигнал ШИМ через нагрузку. Как и в случае с полумостовой топологией, на выходе необходим внешний LC-фильтр для извлечения низкочастотных аудиосигналов и предотвращения рассеивания высокочастотной энергии в нагрузке.


Рис. 6. Формы выходных сигналов традиционного полного моста класса D дополняют друг друга, создавая таким образом дифференциальный сигнал ШИМ в нагрузке.

Полномостовой усилитель класса D обладает теми же преимуществами, что и BTL-усилитель класса AB, но при этом имеет высокий КПД по мощности. Первое преимущество усилителей BTL заключается в том, что им не требуются конденсаторы блокировки по постоянному току на выходах при работе от одного источника питания. То же самое не относится к полумостовому усилителю, поскольку его выходной сигнал колеблется между V DD и землей и холостой ход при рабочем цикле 50%. Это означает, что его выход имеет смещение постоянного тока, равное V DD /2. В полномостовом усилителе это смещение появляется на каждой стороне нагрузки, что означает, что на выходе протекает нулевой постоянный ток.Второе преимущество, которое они разделяют, заключается в том, что они могут достигать двукратного увеличения размаха выходного сигнала по сравнению с полумостовым усилителем с тем же напряжением питания, поскольку нагрузка управляется дифференциально. Это приводит к теоретическому увеличению максимальной выходной мощности в 4 раза по сравнению с полумостовым усилителем, работающим от того же источника питания.

Однако полумостовой усилитель класса D требует вдвое больше переключателей MOSFET, чем полумостовая топология. Некоторые считают это недостатком, поскольку большее количество переключателей обычно означает больше потерь проводимости и переключения.Однако, как правило, это справедливо только для усилителей мощности с высокой выходной мощностью (> 10 Вт) из-за более высоких выходных токов и напряжений питания. По этой причине полумостовые усилители обычно используются для приложений большой мощности из-за их небольшого повышения эффективности. Большинство мощных полномостовых усилителей демонстрируют КПД в диапазоне от 80% до 88% при нагрузке 8 Ом. Однако полумостовые усилители, такие как MAX9742, достигают КПД более 90%, обеспечивая при этом более 14 Вт на канал при сопротивлении 8 Ом.

Устранение выходного фильтра — безфильтровая модуляция
Одним из основных недостатков традиционных усилителей класса D является необходимость внешнего LC-фильтра. Это не только увеличивает стоимость решения и требования к пространству на плате, но также вносит возможность дополнительных искажений из-за нелинейностей компонентов фильтра. К счастью, во многих современных усилителях класса D используются усовершенствованные схемы модуляции «без фильтров» для устранения или, по крайней мере, минимизации требований к внешним фильтрам.

На рисунке 7 показана упрощенная функциональная схема топологии безфильтрового модулятора MAX9700. В отличие от традиционного усилителя PWM BTL, каждый полумост имеет собственный выделенный компаратор, который позволяет управлять каждым выходом независимо. Модулятор управляется дифференциальным звуковым сигналом и высокочастотной пилообразной формой волны. Когда на обоих выходах компаратора низкий уровень, на каждом выходе усилителя класса D высокий уровень. В то же время выход логического элемента ИЛИ-НЕ становится высоким, но задерживается RC-цепью, образованной R ON и C ON .Как только задержанный выход логического элемента ИЛИ-НЕ превышает заданный порог, переключатели SW1 и SW2 замыкаются. Это приводит к тому, что OUT + и OUT- становятся низкими и остаются такими до начала следующего периода выборки. Эта схема вызывает включение обоих выходов на минимальное время (t ВКЛ (МИН) ), которое устанавливается значениями R ВКЛ и C ВКЛ . Как показано на рис. 8 , при нулевом входе выходы находятся в фазе с шириной импульса, равной t ON (MIN) . По мере увеличения или уменьшения входных аудиосигналов один компаратор срабатывает раньше другого.Это поведение, наряду с минимальным временем включения схемы, заставляет один выход изменять ширину импульса, в то время как ширина другого выходного импульса остается на уровне t ВКЛ (МИН) (рисунок 8). Это означает, что среднее значение каждого выхода содержит версию выходного аудиосигнала с полуволновым выпрямлением. Если взять разницу средних значений выходных сигналов, получится полная форма выходного аудиосигнала.


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


Рис. 8. Формы входных и выходных сигналов показаны для топографии безфильтрового модулятора MAX9700.

Поскольку выходы MAX9700 находятся в состоянии покоя с синфазными сигналами, на нагрузку не подается дифференциальное напряжение, что сводит к минимуму энергопотребление в режиме покоя без необходимости во внешнем фильтре. Вместо того, чтобы полагаться на внешний LC-фильтр для извлечения аудиосигнала из выхода, усилители Maxim без фильтров класса D полагаются на внутреннюю индуктивность нагрузки динамика и человеческого уха для восстановления аудиосигнала.Сопротивление динамика (R E ) и индуктивность (L E ) образуют фильтр нижних частот 1-го порядка с частотой среза, равной:

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

Минимизация электромагнитных помех с помощью модуляции с расширенным спектром
Одним из недостатков работы без фильтра является возможность излучаемых электромагнитных помех от кабелей громкоговорителей. Поскольку выходные сигналы усилителя класса D представляют собой высокочастотные прямоугольные волны с быстро движущимися краями перехода, выходной спектр содержит большое количество спектральной энергии на частоте переключения и целые числа, кратные частоте переключения.Без внешнего выходного фильтра, расположенного в непосредственной близости от устройства, эта высокочастотная энергия может излучаться кабелями динамика. Безфильтровые усилители класса D компании Maxim помогают уменьшить возможные проблемы с электромагнитными помехами за счет схемы модуляции, известной как модуляция с расширенным спектром.

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


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


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

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

Хотя модуляция с расширенным спектром значительно улучшает характеристики электромагнитных помех безфильтрованных усилителей класса D, обычно существует практическое ограничение на длину кабелей громкоговорителей, которые могут быть использованы до того, как устройство перестанет соответствовать нормам FCC или CE по излучаемым излучениям.Если устройство не проходит испытания на излучение из-за длинных кабелей динамиков, может потребоваться внешний выходной фильтр, чтобы обеспечить дополнительное ослабление высокочастотных компонентов выходного сигнала. Во многих приложениях с умеренной длиной кабеля громкоговорителей достаточно использовать фильтры из ферритовых бусин / конденсаторов на выходах. Характеристики электромагнитных помех также очень чувствительны к компоновке, поэтому необходимо строго соблюдать соответствующие инструкции по компоновке печатных плат, чтобы гарантировать соответствие применимым нормам FCC и CE.

Заключение
Последние достижения в методах модуляции класса D позволили усилителям класса D процветать в приложениях, где когда-то доминировали линейные усилители.Современные усилители класса D обладают всеми преимуществами усилителей класса AB (т. Е. Хорошей линейностью и минимальными требованиями к месту на плате) с дополнительным бонусом в виде высокой энергоэффективности. В настоящее время доступно большое количество усилителей класса D, что делает их пригодными для множества приложений. Эти приложения варьируются от портативных приложений с низким энергопотреблением (например, сотовых телефонов, ноутбуков), в которых время автономной работы, требования к пространству на плате и соответствие требованиям к электромагнитным помехам имеют первостепенное значение, до приложений с высоким энергопотреблением (например.g., автомобильные звуковые системы или плоские дисплеи), где минимизация требований к теплоотводу и тепловыделению жизненно важна. Фундаментальное понимание усилителей класса D и их последних технологических достижений поможет разработчикам выбрать правильный усилитель для своего применения и позволит им успешно взвесить преимущества и недостатки конкретных характеристик.

Принцип работы схемы усилителя класса D и ее применение

В этом современном мире основной целью усиления звука в аудиосистеме является точное воспроизведение и усиление заданных входных сигналов.И одна из самых больших проблем — получить высокую выходную мощность с минимально возможными потерями мощности. Технология усилителей класса D оказывает все большее влияние на мир живого звука, предлагая высокую мощность с нулевым рассеянием мощности и меньший вес, чем когда-либо прежде. В настоящее время портативные музыкальные устройства становятся все более популярными в связи с растущим спросом на внешние звуки в портативных музыкальных устройствах.

Иногда для усиления звука используются ламповые усилители, но они громоздкие по размеру и не подходят для портативных электронных звуковых систем.Для большинства потребностей в усилении звука инженеры предпочитают использовать транзисторы в линейном режиме, чтобы создать масштабированный выход на основе небольшого входа. Это не лучшая конструкция для усилителей звука, потому что линейные транзисторы будут постоянно проводить, выделять тепло и потреблять энергию. Эта потеря тепла является основной причиной, по которой линейный режим не является оптимальным для портативных аудиоприложений с батарейным питанием. Есть много классов звуковых усилителей; A, B, AB, C, D, E и F. Они подразделяются на два различных режима работы: линейный и коммутационный.Усилитель

класса D

Усилители мощности с линейным режимом — Класс A, B, AB и класс C — это усилители с линейным режимом, выход которых пропорционален их входу. Усилители линейного режима не насыщаются, не включаются и не выключаются полностью. Поскольку транзисторы всегда являются проводящими, выделяется тепло и постоянно потребляется энергия. Это причина того, что линейные усилители имеют более низкий КПД по сравнению с переключаемыми усилителями. Коммутационные усилители классов D, E и F являются коммутирующими усилителями.У них более высокий КПД, который теоретически должен составлять 100%. Это потому, что нет потерь энергии на рассеивание тепла.


Что такое усилитель класса D?

Усилитель класса D представляет собой переключающий усилитель, и когда он находится в состоянии «ВКЛ», он проводит ток, но имеет почти нулевое напряжение на переключателях, поэтому тепло не рассеивается из-за потребляемой мощности. Когда он находится в режиме «ВЫКЛ», напряжение питания будет проходить через полевые МОП-транзисторы, но из-за отсутствия тока переключатель не потребляет энергию.Усилитель будет потреблять мощность только во время переходов включения / выключения, если не учитываются токи утечки. Усилитель класса D, состоящий из следующих каскадов:

  • Модулятор PMW
  • Схема переключения
  • Выходной фильтр нижних частот
Блок-схема усилителя класса D

Модулятор PMW

Нам нужен блок построения схемы, известный как компаратор. Компаратор имеет два входа, а именно вход A и вход B. Когда на входе A напряжение выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение (+ Vcc).Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение (-Vcc). На рисунке ниже показано, как компаратор работает в усилителе класса D. На один вход (пусть это будет вход A) подается сигнал, который нужно усилить. Другой вход (Вход B) снабжен точно сгенерированной треугольной волной. Когда уровень сигнала мгновенно превышает уровень треугольной волны, выходной сигнал становится положительным. Когда уровень сигнала мгновенно ниже, чем уровень треугольной волны, выходной сигнал становится отрицательным.В результате получается цепочка импульсов, ширина которой пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Это известно как «широтно-импульсная модуляция» или ШИМ.

Модулятор PMW

Схема переключения

Несмотря на то, что выход компаратора является цифровым представлением входного аудиосигнала, он не может управлять нагрузкой (динамиком). Задача этой схемы переключения — обеспечить достаточный коэффициент усиления мощности, который необходим для усилителя. Схема переключения обычно разрабатывается с использованием полевых МОП-транзисторов.Очень важно спроектировать так, чтобы переключающие цепи генерировали сигналы, которые не перекрывались, иначе вы столкнетесь с проблемой короткого замыкания источника питания прямо на землю или при использовании разделенного источника питания, закорачивающего источники питания. Это известно как сквозной проход, но его можно предотвратить, подав на полевые МОП-транзисторы неперекрывающиеся сигналы затвора. Время без перекрытия известно как мертвое время. При разработке этих сигналов мы должны сохранять мертвое время как можно более коротким, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низким уровнем искажений, но должно быть достаточно длинным, чтобы оба полевых МОП-транзистора не проводили одновременно.Время, в течение которого полевые МОП-транзисторы находятся в линейном режиме, также должно быть сокращено, что поможет гарантировать, что полевые МОП-транзисторы работают синхронно, а не оба проводят одновременно.

Для этого приложения необходимо использовать силовые полевые МОП-транзисторы из-за увеличения мощности в конструкции. Усилители класса D используются из-за их высокой эффективности, но полевые МОП-транзисторы имеют встроенный диод, который паразитирует и позволяет току продолжать свое движение в течение мертвого времени. Диод Шоттки можно добавить параллельно со стоком и истоком полевого МОП-транзистора, чтобы уменьшить потери через полевой МОП-транзистор.Это снижает его потери, поскольку диод Шоттки работает быстрее, чем основной диод полевого МОП-транзистора, что гарантирует отсутствие проводимости основного диода в мертвое время. Для уменьшения потерь из-за высокой частоты диод Шоттки, подключенный параллельно полевому МОП-транзистору, практичен и необходим. Этот Шоттки обеспечивает подачу напряжения на полевые МОП-транзисторы перед выключением. Общая работа полевых МОП-транзисторов и выходного каскада аналогична работе синхронного понижающего преобразователя. Формы входных и выходных сигналов схемы переключения показаны на рисунке ниже.

Схема переключения

Выходной фильтр нижних частот

Последним каскадом усилителя класса D является выходной фильтр, который ослабляет и удаляет гармоники частоты сигнала переключения. Это можно сделать с помощью обычного фильтра нижних частот, но наиболее распространенным является комбинация катушки индуктивности и конденсатора. Желателен фильтр 2-го порядка, чтобы у нас был спад -40 дБ / декада. Диапазон частот среза составляет от 20 кГц до примерно 50 кГц из-за того, что люди не слышат ничего выше 20 кГц.На рисунке ниже показан фильтр Баттерворта второго порядка. Основная причина, по которой мы выбираем фильтр Баттерворта, заключается в том, что он требует наименьшего количества компонентов и имеет ровный отклик с резкой частотой среза.

Выходной фильтр нижних частот
Применение усилителя класса D

Он больше подходит для портативных устройств, поскольку не содержит дополнительных радиаторов. Так легко носить с собой. Усилитель класса D высокой мощности стал стандартом для многих приложений бытовой электроники, таких как телевизоры

  • и системы домашнего кинотеатра.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.