RDC2-0040a, Усилитель мощности класса D. TDA8950, 150Вт Stereo, ChipDipDac

* Изображения служат только для ознакомления,
см. техническую документацию

40 BYN

от 10 шт. — 39.60 BYN

Добавить в корзину 1 шт. на сумму 40 BYN

Номенклатурный номер: 9000541469

Артикул: RDC2-0040a

PartNumber: MDL-RDC2-0040A

Страна происхождения: РОССИЯ

Бренд / Производитель: ChipDipDac

Описание

Модуль RDC2-0040a представляет собой высокопроизводительный усилитель мощности класса D. УНЧ построен на микросхеме TDA8950. Это стереофонический аналоговый чип с цифровым усилителем, предназначенный для работы с 4-омными громкоговорителями мощностью до 150 Вт на канал. RDC2-0040a характеризуется очень низким уровнем шума и низким током покоя.
На аналоговый вход усилителя можно подавать как несимметричный так и симметричный (дифференциальный) сигнал.
Встроенная система защиты отслеживает: перегрев, перегрузку и короткое замыкание выходов. При наличии одной из вышеперечисленных ошибок усилитель отключается, а после устранения ошибки восстанавливает работу.
Для обеспечения высококачественного высокоэффективного усиления звука требуется простой пассивный фильтр демодуляции цифрового сигнала это модуль LCF05 (приобретается отдельно). Для управления режимами усилителя необходим дополнительный источник напряжения — 5В. Это напряжение можно получить с помощью модуля RDC1-0013 5V (приобретается отдельно), который можно собрать или купить готовый. Для подключения этого модуля на плате установлен разъём (XP5).
Для охлаждения микросхемы применяются стандартные радиаторы для компьютерных видеокарт размером 40×40 мм. На плате сделаны два отверстия для пристегивания и прижиму радиаторов к микросхеме усилителя. Используйте кулер из нашего ассортимента или любой другой с аналогичным способом крепления.
В качестве предварительных усилителей рекомендуем (приобретаются отдельно):
— RDC1-0034a, дифференциальный, высокопроизводительный предварительный усилитель на OPA1632
— RDC1-0048, усилитель с низким уровнем шума на NE5532
— RDC2-0058, предварительный усилитель — темброблок на ADAU1761

Технические характеристики

Напряжение питания выходного каскада: двухполярное от ±12. 5В до ±37В
Количество каналов: 2 x SE, 1 x BTL
Сопротивление нагрузки SE: 4-8 Ом
Сопротивление нагрузки BTL: 8 Ом
Выходная мощность SE: 150 Вт / 4 Ом
Выходная мощность BTL: 300 Вт / 8 Ом
Коэффициент нелинейных искажений:0.05%
КПД с нагрузкой 6Ом: 90%

В разделе «Документация» размещена спецификация и схема усилителя. Вы можете собрать его самостоятельно используя нашу печатную плату.

Схема усилителя с выходными фильтрами LCF05 и дополнительным источником напряжения — 5В

Блок-схема усилителя с выходными фильтрами

Подробную инструкцию по включению и конфигурации усилителя можно найти в разделе «Документы».

Это открытый проект! Лицензия, под которой он распространяется — Creative Commons — Attribution — Share Alike license.

Технические параметры

Тип устройства	усилитель нч
Тип УНЧ	tda8950
Количество каналов	2
Выходная мощность канала, Вт	150
Вес, г	44. 25

Гарантийный срок

6 месяцев

Техническая документация

RDC2-0040_BOM

pdf, 50 КБ

Gerber файлы

zip, 165 КБ

KiCad проект

zip, 396 КБ

Datasheet TDA8950

pdf, 232 КБ

Сроки доставки

Цена и наличие в магазинах

— Выберите город —МинскГомель

Розничная цена: 40 BYN

RDC1-0034a, Дифференциальный, высокопроизводительный …

23.50 BYN

RDC1-0048, Предварительный стерео усилитель с низким уровнем …

16 BYN

LCF05R, Выходной LC-фильтр второго порядка для усилителей …

25 BYN

LCF1, Выходной LC-фильтр второго порядка для усилителей мощности …

51 BYN

Усилители НЧ

Усилители инструментальные

Усилители прочие

Цифровой звук

Усилители сигнала

Усилитель класса D — мал, да удал

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 Технические характеристики

Особенности:

— широкий диапазон питающего напряжения 5В-24В;

— защита от превышения температуры корпуса микросхемы;

— защита от короткого замыкания в нагрузке;

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

— высокий КПД более 90%;

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

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

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

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

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

 Технические характеристики

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

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

 Технические характеристики

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

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

 Технические характеристики

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

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор ФНЧ для сабвуфера

Обзор темброблока BM2112 на микросхеме XR1075 BBE

Обзор усилителей звуковой частоты BM2043M и BM2043Pro

BM2114dsp — Цифровой процессор звука

Усилитель НЧ D-класс 2х50Вт с регулировкой тембра

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

Создайте простую схему усилителя класса D

В этом посте мы обсудим два простых проекта усилителя класса D, которые можно собрать дома с чрезвычайно высокой эффективностью. Усилитель класса D также известен как импульсный усилитель. Эта технология использует широтно-импульсную модуляцию или ШИМ для цифрового усиления небольших аналоговых музыкальных сигналов в мощные и высокоэффективные аудиосигналы.

Почему усилитель класса D

Основными преимуществами этого типа усилителя являются высокая эффективность, низкая стоимость, с единственным недостатком, связанным с искажениями, если они не очищены правильно рассчитанными фильтрами на выходе.

Обычно все усилители имеют аналоговую основу, где входная музыка или частота усиливаются в соответствии с тем же шаблоном, который подается на вход.

Так как музыка может иметь экспоненциально нарастающее и падающее содержание, а также частоты, сопровождаемые всевозможными амплитудами, вызывает нагрев устройств.

Это происходит из-за того, что биполярные транзисторы и полевые МОП-транзисторы не «любят» переходные входы, когда сигнал не имеет резких подъемов и спадов, а постепенно проходит через точки, в которых устройства не полностью включены или выключены, что вызывает большое выделение тепла и мощности потеря

В усилителе класса D музыкальный вход сравнивается с высокочастотными треугольными волнами и на выходе преобразуется в «язык» ШИМ. Контент PWM хранит всю информацию о музыке и преобразует ее обратно в подключенный громкоговоритель в усиленном виде.

Однако, поскольку ШИМ будут состоять из неэкспоненциальных импульсов, где импульсы имеют форму прямоугольных столбов, внезапное включение/выключение без переходов может привести к значительным искажениям на выходе.

Чтобы сгладить указанную выше проблему, обычно используется фильтр нижних частот, в котором пики сглаживаются для получения достаточно хорошей и четкой усиленной репликации.

Предлагаемая схема цифрового усилителя класса D использует знаменитую микросхему 555 для предполагаемых сравнений.

Вместо метода PWM здесь мы используем альтернативный режим, называемый PPM или импульсной позиционной модуляцией, который можно считать таким же хорошим, как PWM.

Использование импульсной модуляции положения

PPM также известен как модуляция плотности импульсов из-за специфики его функционирования.

Здесь вход модуляции сравнивается с высокочастотными треугольными волнами, а выход оптимизируется путем изменения положения или плотности генерируемого/сравниваемого импульсного выхода.

Как видно из приведенной ниже схемы усилителя класса D, IC 555 сконфигурирован как стандартный нестабильный режим MV, где резисторы Ra, Rb и C определяют частоту треугольных волн, генерируемых на выводах 6/7 IC. .

Приведенные выше высокочастотные треугольные волны сравниваются с музыкальным входом, подаваемым на управляющий вход 5 микросхемы.

Здесь низковольтный музыкальный сигнал сначала усиливается до некоторого оптимального уровня напряжения, а затем подается на управляющий вход №5 микросхемы IC555.

Это приводит к обсуждаемому выходному сигналу PPM на выводе № 3 микросхемы. Он усиливается T1 до сильноточного выхода и подается на громкоговоритель для требуемого усиления класса D.

Аудиотрафик выполняет несколько интересных функций: он усиливает выходной сигнал для LS, а также в некоторой степени сглаживает гармоники, которые обычно являются частью всех схем усилителей класса D.

Конденсатор фильтра (неполярный) можно подключить к LS для получения более чистого звучания.

Перечень деталей

• RA, RB, C = Подлежит расчету методом проб и ошибок
• 10 Ом Резистор 1/4 Вт = 2 шт.
• Транзистор TIP127 = 1 шт.
• Аудиотрансформатор = 1 шт.
• Динамик 8 Ом 2 Вт = 1 шт.0025

  Цепь переключающего усилителя класса D

  Линейные усилители классов A и B обычно используются для усиления аудиосигналов. С другой стороны, также возможно усиление звуковых сигналов с помощью нелинейного усилителя.

  Этот тип нелинейных усилителей обычно называют «переключающими» или усилителями класса D, поскольку выходные транзисторы, имеющиеся в этих устройствах, переключаются путем полного включения или полного отключения.

  В импульсном усилителе почти вся электрическая мощность передается на нагрузку (громкоговоритель) в периоды, когда транзисторы усилителя полностью открыты.

  Наибольшее количество мощности рассеивается через транзисторы, когда устройства находятся в переходах включения и выключения. Чем быстрее переход, тем меньше мощность, выдаваемая через выходные транзисторы. Из-за компоновки переключающих усилителей уровень эффективности переключающего усилителя может значительно превышать 90%.

  Напротив, усилители классов A и B обеспечивают максимальную эффективность около 20% и 78,5% соответственно. Дополнительным преимуществом высокой эффективности импульсных усилителей является то, что эти устройства имеют меньшие размеры, меньший вес и, как правило, намного дешевле, чем аналоги классов А и В.

  Коммутационные усилители используют широтно-импульсный модулятор для выполнения необходимых процедур переключения.

  Аудиосигналы сначала преобразуются в последовательность импульсов, причем каждый из импульсов прямо пропорционален мгновенным амплитудам аудиосигнала по сравнению с фиксированной частотой и фиксированной амплитудой треугольной формы волны, которая используется в качестве эталона.

  Таким образом, по отношению к фиксированной частоте амплитуда сигнала изменяет ШИМ выхода (рабочий цикл). Сравниваемая разница затем усиливается и подается на мощный громкоговоритель с сопротивлением 8 Ом, который в ответ демодулирует ШИМ и воспроизводит усиленный коммутируемый аудиовыход.

  R7, R8, R11, R12, R17, R18 — резисторы мощностью 2 Вт. Для питания схемы усилителя необходим независимый источник постоянного тока 51 В.

  Источник питания 51 В подается на набор стабилитронов D5 и D6 и сглаживается конденсаторами C11 и C12, чтобы получить источник постоянного тока 12 В для схемы усилителя. Кроме того, часть источника постоянного тока 51 В блокирует стабилитроны для питания каскадов схемы, которые должны работать с постоянным напряжением 51 В напрямую.

  Как работает схема

  Правая и левая звуковые частоты подаются на схему импульсного усилителя через разъемы J1 и J2 соответственно. Пара каскадов операционного усилителя TL074, IC1c и IC1d, создают опорный сигнал треугольной формы с размахом 4 В и частотой 50 кГц.

  Полученный сигнал затем подается на потенциометр R19, который обеспечивает переменную опорную точку для компараторов напряжения. Это позволяет усилителю использовать входные сигналы с амплитудой от 1 В до пика до 4 В.

  Пара дополнительных секций операционных усилителей, IC1a и IC1b, работают как компараторы для формирования выходного сигнала с широтно-импульсной модуляцией для левого и правого каналов усилителя. В правом канале усилителя выход компаратора напряжения подключен к схеме биполярного преобразования через токоограничивающий резистор R5.

  Схема преобразования имеет положительный и отрицательный «терминал»; Q1, D1 и R1, которые действуют как положительная клемма, и Q3, D3 и R11, которые образуют отрицательную клемму. Обе клеммы соединены с землей посредством эмиттеров транзисторов Q1 и Q3, обеспечивая опорный уровень для преобразователя.

  Настройка преобразователя приводит к появлению 17 вольт на транзисторах Q1, Q3 и стабилитронах D1 и D3. Таким образом, имеется достаточное количество тока для преодоления емкости затвора мощного полевого МОП-транзистора; который включает и выключает дополнительный двухтактный выходной каскад Q5 и Q7 мощного полевого МОП-транзистора с очень высокой скоростью.

  Правый и левый выходы усилителя подключаются к разъемам J3 и J4 соответственно. Выход способен обеспечить общую мощность 60 Вт RMS на подключенные динамики 8 Ом.

  Динамики обеспечивают демодуляцию сигнала и генерируют усиленный аудиовыход. При пиковой выходной мощности потребляемый ток от 8-омных динамических динамиков будет примерно 1,2 ампера при 51 В постоянного тока.

  Блок питания

  Далее поговорим о блоке питания. На втором рисунке показана принципиальная схема цепи питания. Напряжение переменного тока, полученное от PL1, подается на мостовой выпрямитель BR1, который обеспечивает двухполупериодное выходное напряжение примерно 165 В постоянного тока.

  Конфигурация, состоящая из частей R1, R2, D1, D3 и D4, создает последовательность импульсов 5 В, которые обеспечивают несколько основных характеристик: Сначала импульсы используются в качестве источника питания 5 В, предназначенного для настройки импульса. форму и моностабильную схему с помощью D2 и C1.

  Во-вторых, импульсы активируют оптопару IC1 и симистор TR1 посредством конфигурации формирования импульсов, созданной с использованием Q1, Q2 и R3 R5, и моностабильной схемы, построенной вокруг C2 и R6.

  Резистор R2 фиксирует самый высокий уровень ШИМ и, следовательно, самый высокий уровень выходного напряжения. Если обратная связь не используется, нефильтрованное пиковое напряжение может составлять приблизительно 90 вольт.

  Чтобы получить требуемое выходное напряжение 51 В для схемы коммутирующего усилителя, конфигурация обратной связи, построенная с использованием резисторов R6, R7 и C3, смещает оптопару в обратном направлении каждый раз, когда выходное напряжение становится больше 51 В.

  Это последовательно приводит к отключению TR1, когда нефильтрованное напряжение приближается к нулю. Таким образом, схема обратной связи RC регулирует выходное напряжение, пытаясь изменить состояние проводимости IC1.

  Усилитель мощности звука класса D

  Усилители мощности класса D, одно из наиболее важных устройств для применения в звуковых системах, сталкиваются с серьезными проблемами в связи с растущим спросом на смартфоны, цифровое телевидение, цифровой звук и другие терминалы. Усилитель мощности звука превратился из транзисторного усилителя в ламповый усилитель на полевом эффекте, а цифровые усилители добились значительного прогресса в схемотехнике, компонентах и ​​идеологическом понимании. Камнями преткновения для успешного усилителя мощности являются низкая энергоэффективность и высокий уровень искажений.

  1. Введение

  Усилитель мощности представляет собой тип электронного усилителя, предназначенного для увеличения величины мощности заданного входного сигнала. Схема усилителя мощности звука является важной ветвью усилителя мощности, одного из основных компонентов звуковой системы. Он разработан как последний блок в цепочке аудиоусилителя для увеличения входного сигнала до уровня, достаточного для управления нагрузками. Он прошел долгий путь под влиянием стремительного развития интегральных схем в последние десятилетия.

  Рынок усилителей мощности определяется растущим спросом на мобильные аудиоустройства, растущим распространением бытовой электроники во всем мире, растущей привлекательностью автомобильных информационно-развлекательных систем и растущим рынком высококачественных аудиоустройств. Согласно отчету ^[1] , «Ожидается, что объем рынка аудиоусилителей вырастет с 3,4 млрд долларов США в 2019 году до 4,4 млрд долларов США к 2024 году при среднегодовом темпе роста 5,6% с 2019 по 2024 год». Большой рынок делает модернизацию и улучшение аудиоусилителей очень важными.

  Сравнение энергоэффективности аудиоусилителей показано на рис. 1 . Традиционные аналоговые усилители мощности можно разделить на класс A, класс B, класс AB и другие формы в зависимости от различных условий работы. Эти типы усилителей имеют высокую точность воспроизведения, что означает, что они могут обеспечить превосходное качество звука. Однако эффективность преобразования мощности линейных и нелинейных усилителей чрезвычайно низка. Появление усилителей класса D решает эту проблему. Усилитель класса D был впервые разработан в 1958 ^[2] . По сравнению с линейными усилителями мощности (класс A) и нелинейными усилителями (класс AB, класс B, класс C) ^{[3] [4]} основным преимуществом импульсных усилителей класса D является их теоретическая 100% энергоэффективность ^[5] . Энергоэффективность усилителей класса D при максимальном индексе модуляции обычно выше 90% ^[6] . Напротив, энергоэффективность линейных усилителей, таких как усилители мощности класса B и класса AB, составляла всего 70% или меньше. Вот почему усилитель класса D в настоящее время является лучшим выбором для коммерческих аудиоусилителей и постепенно заменяет линейные аналоги.0137 [7] .

  Рисунок 1. Сравнение эффективности каждого усилителя ^{[2] [8] [9]} .

  Коммутационное устройство в выходном каскаде является ключевым моментом в истории развития усилителей класса D. Германиевые транзисторы были частью ранней конструкции усилителя класса D, но оказались непригодными для топологии переключения, поэтому ранние конструкции усилителей не увенчались успехом. Тем не менее, благодаря появлению технологии MOSFET, инженеры снова разработали относительную технологию конструкции класса D. Усилитель класса D в настоящее время широко используется в различных областях, таких как телевизоры с плоским экраном и автомобильные блоки управления звуком. В усилителях класса D используется пара переключающих устройств для двухтактной конфигурации.

  Производительность коммутационного устройства напрямую влияет на энергоэффективность и точность воспроизведения аудиосистемы. Из-за ограниченных характеристик материала трудно улучшить общую производительность существующих устройств на основе кремния за счет улучшения структуры устройства и производственного процесса ^{[5] [10]} . Следовательно, необходимы новые высокопроизводительные силовые устройства в качестве заменителей для достижения более высокой эффективности преобразования, что требует незначительной проводимости и меньших коммутационных потерь для соответствия случаям с переменной частотой.

  2. Топологии для усилителей класса D

  Топологии усилителя представляют собой базовую структуру, которая зависит от режима работы и таких параметров, как энергоэффективность и степень искажения. Исследователи анализируют топологическую модель усилителя класса D, чтобы определить преимущества и недостатки, перечисляют примеры стандартной конструкции усилителя и обеспечивают основу для улучшения усилителя.

  Широко распространенный аналоговый усилитель класса D с обратной связью охватывает интеграторы, модуляторы, выходные каскады, фильтры нижних частот и громкоговорители ( Рисунок 2 ). На первом этапе интеграторы и фильтры обеспечивают высокое усиление петли и ослабляют нежелательные составляющие несущей в петле. Фильтр нижних частот всегда устанавливается между выходной моделью и громкоговорителем, чтобы уменьшить EMI (электромагнитные помехи) и исключить энергию экстраординарной частоты, которая преобразуется в ^{[11] [12]} .

  Рис. 2. Блок-схема аудиоусилителя.

  Транзисторы, работающие в области насыщения или линейной области, ограничивают энергоэффективность линейного усилителя из-за значительных падений напряжения, вызванных большим током, что приводит к значительным потерям мощности, что сильно влияет на эффективность. Усилители класса D имеют уникальную топологию, которая рассеивает меньшую мощность, чем упомянутые выше линейные усилители. Выходной каскад работает, переключаясь между положительным и отрицательным и производя серию импульсов напряжения, в то время как выходной транзистор не имеет тока без переключения и низкого напряжения V _ДС при управлении током, таким образом образуя меньший I _ДС ^[13] . Топологии усилителей класса D показаны на рис. 3 a; аналоговые аудиосигналы дискретизируются и генерируются сигналы с широтно-импульсной модуляцией. Эти сигналы используются для управления выходными переключателями. Сигналы, генерируемые выходным каскадом, будут фильтроваться схемой фильтрации или самим динамиком и преобразовываться в звуковые сигналы.

  Рис. 3. Топология и волна ( a ) форма для усилителя класса D и конструкции на основе GaN ( b ) ^[14] .

  Характеристики усилителя класса D выдающиеся на средней и высокой выходной мощности. Однако из-за потерь в силовых устройствах КПД будет самым низким, если выходная мощность недостаточна. Некоторые усилители класса D работают в двух режимах, чтобы преодолеть эту проблему. Многоступенчатый метод ограничивает выходное напряжение, на которое может переключиться устройство питания при воспроизведении звука с низким уровнем громкости. Как только выходная громкость достигает установленного порога, шина выходного напряжения коммутатора увеличивается, чтобы обеспечить полное колебание напряжения. Технология переключения при нулевом напряжении (ZVS) может использоваться при низком уровне выходной мощности, а жесткое переключение — при высоком уровне мощности, что помогает уменьшить влияние коммутационных потерь ^{[15] [16]} .

  Выходной каскад является основой усилителя мощности. На рис. 4 показан базовый выходной каскад с линейным переключателем на основе КМОП (комплементарных металлов, оксидов и полупроводников), который усиливает ток сигнала до большого тока, который может управлять громкоговорителями, добавляя энергию постоянного тока к слабому ветру на входе через триод. В традиционных транзисторных усилителях выходной каскад содержит транзистор, обеспечивающий непрерывный мгновенный выходной ток. Многие линейные аудиоусилители содержат усилители класса A, класса AB и класса B. По сравнению с цифровыми усилителями и усилителями класса D потребляемая мощность значительна даже в наиболее эффективной линейной области. Это разнообразие делает усилители класса D чрезвычайно полезными во многих приложениях. Более низкое энергопотребление приводит к меньшему выделению тепла, экономит место и затраты, а также продлевает срок службы мобильных систем.

  Рис. 4. Выходной каскад с линейным переключателем CMOS.

  3. Усилитель класса D на основе нитрида галлия

  В случае мобильных устройств с ограниченной емкостью батареи эффективность работы является важнейшим показателем конструкции. Хотя усилитель класса D имеет преимущество в энергопотреблении по сравнению с другими усилителями, он по-прежнему страдает от низкой точности воспроизведения, в основном из-за коммутационных искажений.

  Процессоры усилителей класса D производят небольшие высокочастотные сигналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые представляют собой слуховой сигнал. Мощный транзистор преобразует слабые сигналы в значимые сигналы в полумостовой или полномостовой конфигурациях и пропускает динамик через фильтр. Увеличение частоты принятия и частоты переключения выходного каскада может значительно увеличить звук, поскольку каждый импульс представляет собой прямоугольную волну. Энергия теряется из-за потерь при переключении и потерь проводимости в каждом цикле переключения, таким образом, балансируя качество звука, рабочую частоту и энергопотребление ^[17] . Коммутационные потери — еще один фактор, требующий надлежащего рассмотрения. Таким образом, существенным компонентом усилителя класса D является коммутационное устройство, качество которого напрямую определяет силу каждого показателя усилителя (примерами являются SNR, THD и TID (переходные интермодуляционные искажения)). Усилители класса D должны использовать интегральные схемы обратной связи для компенсации плохих характеристик разомкнутого контура, чтобы выполнить цели по искажению (THD + N, TIM и IM), которые требуются для высококачественного звука.

  Источником этого искажения являются силовые МОП-транзисторы на основе Si. Таким образом, основной целью прогрессивного усилителя класса D является улучшение структуры переключения. Отличным выбором для MOSFET или IGBT является устройство GaN или устройство SiC ^[18] .

  3.1. Преимущества GaN Power Device

  После десятилетий интенсивных разработок силовые устройства на основе Si приближаются к предельным возможностям материалов с точки зрения производительности. Силовые устройства на основе широкозонных полупроводников с более высоким критическим полем пробоя желательны для дальнейшего повышения производительности устройства и, следовательно, эффективности преобразования энергии. Исследования силовых устройств ведутся уже много лет. Появление полупроводников с широкой запрещенной зоной (WBG) на основе нитрида галлия (GaN) или карбида кремния (SiC) позволяет усилителям класса D достигать выдающихся характеристик в отношении искажений и полосы пропускания ^[19] . Согласно ^[20] , GaN-устройства имеют то преимущество, что работают при более высоких напряжениях и меньших токах утечки, чем Si-устройства. По сравнению с Si первого поколения и GaAs второго поколения устройства GaN и SiC третьего поколения имеют небольшое сопротивление в открытом состоянии, высокую скорость переключения и характеристики при высоких напряжениях. Устройство GaN имеет скорость вакуумного насыщения в 2,8 раза больше, чем устройства Si, что делает его сопротивление в открытом состоянии и потери проводимости намного ниже, чем у устройств Si. Емкость общего перехода GaN-приборов обеспечивает частоту переключения до уровня МГц. Ширина запрещенной зоны GaN-устройства намного меньше, чем у кремниевых, поэтому критическое электрическое поле пробоя достигает 3,3 МВ/см; следовательно, он имеет более высокое напряжение. Сравнение параметров GaN-устройства и Si-устройства показано на рис. 9.0084 Таблица 1 . Большая ширина запрещенной зоны и изолирующее поврежденное электрическое поле снижают сопротивление проводимости устройства и улучшают его общие характеристики. В результате высокая скорость электронного насыщения и высокая подвижность носителей позволяют устройству работать на высоких скоростях ^{[21] [22]} . Более того, GaN-транзисторы имеют больше применений благодаря более высокой динамике переключения и меньшему количеству паразитных элементов в своих корпусах. Эксперименты в ^[23] показали, что устройства GaN могут обеспечить более высокую мощность и более низкий THD в усилителях класса D. Устройства GaN играют важную роль во многих областях, особенно в повышении энергоэффективности. Вполне возможно, что эти устройства могут также инициировать революцию в области усилителей мощности звука 9.0137 [24] ^[25] .

  Таблица 1. Сравнение характеристических параметров различных полупроводниковых материалов.

  Как показано на рис. 5 , транзисторы GaN HEMT аналогичны выводам Si MOSFET с затвором, стоком и истоком ^[26] . Это также указывает на то, что GaN HEMT имеет функции, аналогичные Si MOSFET, и может заменить силовые элементы в усилителях класса D. Они достигают мизерного сопротивления с помощью двумерного электронного газа (2DEG) между затвором и истоком и могут быть эффективно закорочены благодаря наличию электронного пула ^[27] . Затвор p-Gan прекратит проводимость, пока отсутствует смещение затвора (VGS = 0 В). Gan HEMT — это двунаправленное устройство, в отличие от кремниевых устройств. Следовательно, обратный ток может возникнуть, если напряжение стока упадет ниже напряжения истока. Транзисторы Gan HEMT имеют то преимущество, что имеют чистую форму волны переключения — в основном, отсутствие объемных диодов, обычно встречающихся в кремниевых МОП-транзисторах, которые ответственны за большую часть шума переключения, связанного с PN-переходом ^[28] . Если усилитель работает в режиме переключения при нулевом напряжении, потери при переключении и потери мощности могут быть эффективно устранены, поскольку выходной трансформатор реализован путем преобразования тока индуктивности. В настоящее время большинство силовых GaN-устройств имеют планарную структуру типа Рисунок 5 . Если подложка в этой структуре имеет незначительное решеточное и термическое рассогласование с материалом GaN, может быть реализован неравномерный фазовый денотативный рост GaN. Силовые устройства GaN, содержащие Si-материал для подложки, имеют зрелую технологию и низкую стоимость, что является оптимальным решением для силовых устройств усилителей класса D ^{[29] [30]} .

  Рис. 5. Структура для классического GaN HEMT.

  3.2. Анализ GaN-усилителя класса D

  В таблице 2 приведены несколько типовых усилителей мощности на основе GaN-устройств, которые характеризуются высокой энергоэффективностью и низким коэффициентом нелинейных искажений. Плотность мощности полупроводников GaN более чем в десять раз выше, чем у транзисторов с диффузионным металл-оксидом-полупроводником (LDMOS), используемых в обычных усилителях мощности, с более высокой плотностью мощности и эффективностью. Если исследователи используют GaN для создания IP, они могут получить большую мощность при том же размере и меньший размер при той же мощности. Для высокомощных и эффективных усилителей мощности звука лучшим выбором являются GaN HEMT, использующие потери мощности, плотность мощности и скорость отклика. По сравнению с традиционными кремниевыми МОП-транзисторами, GaN HEMT имеют более высокую скорость, стоимость пахотных земель, а также лучшую производительность и тепловую эффективность.

  Таблица 2. Параметры GaN усилителя класса D.

  Учитывая критические показатели усилителей класса D, устройства GaN имеют соответствующие преимущества или недостатки.

  3.2.1. Энергоэффективность и искажения

  Во многих статьях упоминаются преимущества GaN-устройств по сравнению с MOSFET и IGBT, особенно в ^[40] . Кроме того, в ^[41] сравнивается эффект 60-вольтового GaN-устройства и Si-устройства аудиоусилителя класса D, и делается вывод, что плотность мощности GaN-устройства питания намного выше, чем у Si-устройства. В ^[34] описывается эффект транзисторов GaN в обычных усилителях мощности, обеспечивающих экономию энергии более чем на 30% и более высокую плотность мощности и эффективность. По сравнению с традиционным Si MOSFET, GaN FET имеет более высокую скорость, более низкую стоимость и тепловую эффективность. Хотя усилитель класса D, разработанный в ^[37] , имеет КПД всего 85,8%, это связано с тем, что номинальная схема транзистора, используемого в этой конструкции, намного больше, чем требуется схеме, и более высокая мощность может быть получена с более высокой мощностью. более подходящий полевой транзистор.

  Уровень мощности усилителей класса D направлен на достижение точного воспроизведения сильного сигнала от слабых источников сигнала при одновременном снижении потерь энергии. Лучшие переключающие свойства полевых транзисторов на основе GaN обеспечивают формы сигналов, которые ближе к желаемым идеальным формам сигналов, чем могут быть достигнуты с помощью кремниевых Mofette. Это существенное преимущество GaN-устройств, которые могут переключаться в 1000 раз быстрее, чем кремниевые полевые транзисторы. Технический документ о системах GaN дает количественную оценку этого превосходного качества звука, показывая, что усилители класса D на основе GaN могут давать общее гармоническое искажение (THD) всего 0,004 % по сравнению с 0,015 % для кремниевых продуктов ^{[43] [44]} . Усилитель PDM 25 Вт класса D с устройствами GaN и Si в качестве выходного каскада протестирован и сравнен в ^[45] . Результаты испытаний показывают, что при выходной мощности менее 20 Вт искажения усилителя мощности на основе GaN-прибора на 0,15 % ниже, чем у усилителя мощности на основе Si, а КПД по мощности на 15 % выше. Кроме того, при более низких частотах переключения (360 кГц) характеристики искажений и энергоэффективность двух выходных каскадов аналогичны. При более высоких частотах переключения (>1,1 МГц) выходной каскад GaN имеет значительные преимущества ^[46] .

  Кроме того, в режиме переключения при нулевом напряжении выход изменяется посредством коммутации индуктивного тока. Следовательно, любые коммутационные потери в коммутационном устройстве и результирующие потери мощности могут быть устранены. Однако, чтобы избежать прострела между двумя устройствами, необходимо добавить небольшую задержку гашения, чтобы гарантировать, что выключенное состояние периода переключения сохраняется до тех пор, пока не будет введено включенное состояние следующего периода переключения. форма выходного сигнала отличается от формы сигнала, ожидаемого на выходе ШИМ, что приводит к искажению аудиосигнала. Время задержки холостого хода зависит от выходной емкости Coss используемого силового устройства. По сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами GaN-транзисторы имеют значительно более низкий показатель Coss, что означает, что время задержки гашения может быть сведено к минимуму, что сводит к минимуму искажения.

  Таким образом, удельная мощность, энергоэффективность и преимущества частоты переключения указывают на то, что устройства на основе GaN обеспечивают меньшую занимаемую площадь, меньшее тепловое излучение и длительный срок службы, что устраняет прямое противоречие между энергоэффективностью и качеством звука. Однако стоимость и отсутствие специальной интегральной схемы усилителя класса D являются недостатками устройств GaN.

  3.2.2. Теплопроводность

  Нагрев является одной из основных проблем устройств GaN из-за высокой плотности мощности. Из-за высокой проводимости SiC распространенный метод выращивания GaN на подложке SiC заключается в ограничении температуры GaN HEMT не выше максимальной температуры ^[3] . Некоторые варианты, описанные в литературе, такие как выходной каскад GaN, приводят к снижению производительности после воздействия высокой температуры, что является существенным недостатком устройств GaN ^{[46] [47]} . Однако рост GaN включает в себя определенные переходные слои, обычно включающие сплавы GaN и AlN, которые имеют худшую теплопроводность из-за рассеяния фононов, вызванного беспорядком. В некоторых случаях фактором, ограничивающим производительность GaN, может быть его теплопроводность, а не его электронные свойства. Таким образом, рассеивание тепла аудиосистем с использованием GaN-устройств будет одним из следующих направлений исследований. Программа TMT (Thermal Management Technologies) представляет несколько технологий охлаждения для управления теплом в полупроводниках, таких как подключенные и встроенные технологии охлаждения ^{[48] [49] [50]} . Температура перехода устройств GaN обычно создается на стороне стока затвора, и по этой причине решения по управлению температурным режимом должны быть сосредоточены на области нагрева.

  В ^{[51] [52]} рекомендуются методы встроенного микрофлюидного охлаждения вблизи перехода, которые дают отличный эффект. Эта технология уже подходит для замены традиционных методов пассивного дистанционного охлаждения.

  В ^[52] была исследована возможность использования алмаза в качестве подложки для устройств GaN. В ^[53] внутричиповое охлаждение на основе алмазной микрофлюидики использовалось для воздействия на отток тепла от модели с низкой теплопроводностью. Кроме того, в ^[54] изучались охлаждающие эффекты активных и пассивных методов охлаждения устройств GaN с SiC в качестве подложки и алмазом в качестве подложки.

  3.2.3. EMI

  Высокая скорость переключения GaN-устройств ухудшает электромагнитные помехи в усилителе. Было много статей, посвященных электромагнитным помехам, создаваемым GaN в преобразователях, и их влиянию, например 9.0137 [55]

  ^{[56] [57] [58] [59]} :

  10 дБ. Предлагаются некоторые схемы снижения электромагнитных помех, такие как выбор исходного ^[60], изменение топологии схемы преобразователя ^[59] или усовершенствование фильтра ^[59]. Исследования аудиоусилителей в настоящее время еще недостаточны:

  In ^[60] , аудиоусилители были построены с использованием SPICE-моделей основных драйверов и GaN-транзисторов, которые позволяют получить точный силовой каскад GaN. Более того, исследование предполагает, что модель и объект могут быть неточными; эта ошибка возникает в низкочастотном диапазоне. Причина в том, что имитационная модель выдает значительные всплески тока стока в начале включения транзисторов. В

  [61] показан простой метод моделирования кондуктивных электромагнитных помех интегрированных усилителей класса D.