Wzmacniacze audio klasy D: co, dlaczego i jak

Wzmacniacze klasy D, po raz pierwszy zaproponowane w 1958 r., Stały się coraz bardziej popularne w ostatnich latach. Jakie są wzmacniacze klasy D? Jak porównują się z innymi rodzajami wzmacniaczy? Dlaczego klasa D zainteresowania jest audio? Co jest potrzebne do stworzenia „dobrego” wzmacniacza klasy D? Jakie są cechy produktów wzmacniacza klasy D ADI? Znajdź odpowiedzi na wszystkie te pytania na poniższych stronach.

Tło wzmacniacza dźwięku

Celem wzmacniaczy audio jest odtwarzanie wejściowych sygnałów audio przy elementach wyjściowych wytwarzających dźwięk, z pożądanym poziomem objętości i mocy, niezależnie, wydajnie i przy niskich zniekształceniach. Częstotliwości dźwięku wahają się od około 20 Hz do 20 kHz, więc wzmacniacz musi mieć dobrą odpowiedź częstotliwościową w tym zakresie (mniej podczas prowadzenia głośnika ograniczonego pasmem, takim jak AWooferlubTweeter). Możliwości zasilania różnią się znacznie w zależności od aplikacji, od Milliwatts w słuchawkach, po kilka watów w telewizji lub na komputerze PC, po dziesiątki WATS dla „mini” domowych stereosów i dźwięku samochodowego, po setki watów i nie tylko dla mocniejszych systemów domowych i komercyjnych dźwiękowych i do wypełnienia teatrów lub audytorów.

Prosta analogowa implementacja wzmacniacza audio wykorzystuje tranzystory w trybie liniowym do utworzenia napięcia wyjściowego, które jest skalowaną kopią napięcia wejściowego. Przyrost napięcia do przodu jest zwykle wysoki (co najmniej 40 dB). Jeśli wzmocnienie do przodu jest częścią pętli sprzężenia zwrotnego, ogólnieZwiększenie pętlibędzie również wysoki. Informacje zwrotne są często stosowane, ponieważ wysokie wzmocnienie pętli poprawia zniekształcenie supresyjne spowodowane przez nieliniowości na ścieżce do przodu i zmniejszając szum zasilający poprzez zwiększenie odrzucenia zasilania (PSR).

Przewaga wzmacniacza klasy D.

W konwencjonalnym wzmacniaczu tranzystorowym,Etap wyjściowyZawiera tranzystory, które dostarczają natychmiastowy ciągły prąd wyjściowy. Wiele możliwych implementacji systemów audio obejmuje klasy A, AB i B.Klasa D.Projekty, rozpraszanie mocy w stadium wyjściowym jest duże w nawet najbardziej wydajnychliniowyEtapy wyjściowe. Różnica ta daje klasę D znaczące zalety w wielu zastosowaniach, ponieważ niższe rozproszenie mocy wytwarza mniej ciepła, oszczędza przestrzeń i koszty płytki obwodu oraz wydłuża żywotność baterii w systemach przenośnych.

Wzmacniacze liniowe, wzmacniacze klasy D i rozpraszanie mocy

Etapy wyjściowe linear-amplifier są bezpośrednio podłączone do głośnika (w niektórych przypadkach za pośrednictwem kondensatorów). Jeśli w etapie wyjściowym używane są tranzystory złącza dwubiegunowego (BJT), ogólnie działają one w trybie liniowym, z dużymi napięciami kolektora-emitera. Etap wyjściowy można również zaimplementować za pomocą tranzystorów MOS, jak pokazano na rycinie 1.

Rysunek 1. Liniowy stadium wyjściowe CMOS.

Moc jest rozpraszana na wszystkich liniowych etapach wyjściowych, ponieważ proces generowaniaV_{NA ZEWNĄTRZ} Nieuniknie powoduje niezeroweI_Ds IV_Ds W co najmniej jednym tranzystorze wyjściowym. Ilość rozpraszania mocy silnie zależy od metody stosowanej do odchylenia tranzystorów wyjściowych.

.Klasa aTopologia wykorzystuje jeden z tranzystorów jako źródło prądu prądu stałego, zdolnego do dostarczania maksymalnego prądu audio wymaganego przez głośnik. Dobra jakość dźwięku jest możliwa w fazie wyjściowej klasy A, ale rozpraszanie mocy jest nadmiernetranzystory(gdzie tego nie chcemy), bez dostarczenia dogłośnik(gdzie tego chcemy).

.Klasa bTopologia eliminuje prąd odchylenia DC i rozprasza znacznie mniejszą moc. Jego tranzystory wyjściowe są indywidualnie kontrolowane w sposób push-pull, umożliwiając urządzeniu MH dostarczanie dodatnich prądów do głośnika, a ML zatopić prądy ujemne. Zmniejsza to rozpraszanie mocy stadium wyjściowego, a tylko prąd sygnałowy jest prowadzony przez tranzystory. Obwód klasy B ma jednak gorszą jakość dźwięku ze względu na zachowanie nieliniowe (zniekształcenie crossover) Gdy prąd wyjściowy przechodzi przez zero, a tranzystory zmieniają się między warunkami włączania i wyłączania.

Klasa ab, Hybrydowy kompromis w klasach A i B, wykorzystuje pewien prąd odchylenia DC, ale znacznie mniej niż czysty projekt klasy A. Mały prąd odchylenia DC jest wystarczający, aby zapobiec zniekształceniu krzyżowym, co umożliwia dobrą jakość dźwięku. Rozpraszanie mocy, choć między limitami klasy A i klasy B, jest zazwyczaj bliższe klasy B. Pewna kontrola, podobnie jak obwód klasy B, jest potrzebny, aby umożliwić obwodzie klasy AB na zasilanie lub zatopienie dużych prądów wyjściowych.

Niestety, nawet dobrze zaprojektowany wzmacniacz AB ma znaczne rozproszenie mocy, ponieważ jego napięcia wyjściowe średniego poziomu są na ogół dalekie od dodatnich lub ujemnych szyn dostaw. Duże krople napięcia źródła drenażu dają w ten sposób znacząceI_Ds × V_Dsnatychmiastowe rozpraszanie mocy.

Dzięki innej topologii (ryc. 2),Klasa D.Wzmacniacz rozprasza znacznie mniejszą moc niż jakikolwiek z powyższych. Jego stadium wyjściowe przełącza się między dodatnimi i ujemnymi zasilaczami, aby wytworzyć pociąg impulsów napięcia. Ten przebieg jest łagodny dla rozpraszania mocy, ponieważ tranzystory wyjściowe mają prąd zerowy podczas nie przełączania i mają niskieV_Ds Kiedy prowadzą prąd, dając w ten sposób mniejszyI_Ds × V_Ds.

Rysunek 2. Schemat blokowy otwartej pętli klasy D.

Ponieważ większość sygnałów audio nie jest pociągami impulsów, należy dołączyć modulator, aby przekonwertować wejście audio na impulsy. Zawartość częstotliwości impulsów obejmuje zarówno pożądany sygnał audio, jak i znaczącą energię o wysokiej częstotliwości związaną z procesem modulacji. Filtr dolnoprzepustowy jest często wstawiany między etapem wyjściowym a głośnikiem, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i uniknąć napędzania głośnika o zbyt dużej energii o wysokiej częstotliwości. Filtr (ryc. 3) musi być bezstratny (lub prawie tak), aby zachować przewagę zasilania stadium wyjściowego przełączania. Filtr zwykle wykorzystuje kondensatory i induktory, przy czym jedynym celowo rozpraszającym elementem jest głośnik.

Rysunek 3. Stage wyjściowe przełączania różnicowego i filtr LC dolnoprzepustowy.

Rysunek 4 porównuje idealne rozpraszanie mocy w stadium wyjściowym (P_Diss) dla wzmacniaczy klasy A i klasy B z zmierzonym rozpraszaniem dla wzmacniacza klasy D AD1994, wykreślonego przeciwko energii dostarczonej do głośnika (P_OBCIĄŻENIE), biorąc pod uwagę sygnał fali sinusoidalnej audio-częstotliwości. Liczby mocy są znormalizowane do poziomu mocy,P_OBCIĄŻENIEMax, przy którym sinus jest wystarczająco przycinany, aby spowodować 10% całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD). Linia pionowa wskazujeP_OBCIĄŻENIEPo którym zaczyna się przycinanie.

Rysunek 4. Rozpraszanie mocy w etapach wyjściowych klasy A, klasy B i klasy D.

Istotne różnice w rozpraszaniu mocy są widoczne dla szerokiego zakresu obciążeń, szczególnie przy wysokich i umiarkowanych wartościach. Na początku przycinania rozproszenie się na etapie wyjściowym klasy D jest około 2,5 razy mniejsze niż klasa B, a 27 razy mniej niż klasa A. Należy zauważyć, że większa moc zużywana jest na etapie wyjściowej klasy A niż dostarczane do głośnika-konsekwencji stosowania dużego prądu prądu prądu prądu stałego.

Wydajność energetyczna na etapie wyjściowym,Efr, jest zdefiniowane jako

Na początku przycinania,Eff= 25% dla wzmacniacza klasy A, 78,5% dla wzmacniacza klasy B i 90% dla wzmacniacza klasy D (patrz rysunek 5). Te najlepsze wartości dla klasy A i klasy B są często cytowane w podręcznikach.

Rysunek 5. Skuteczność energetyczna klasy A, klasy B i klasy D.

Różnice w rozpraszaniu mocy i wydajność rozszerzają się przy umiarkowanych poziomach mocy. Jest to ważne w przypadku dźwięku, ponieważ długoterminowe średnie poziomy głośnej muzyki są znacznie niższe (według czynników od pięciu do 20, w zależności od rodzaju muzyki) niż natychmiastowe poziomy szczytowe, które zbliżają sięP_OBCIĄŻENIEMax. Zatem dla wzmacniaczy audio [P_OBCIĄŻENIE = 0.1 × P_OBCIĄŻENIEMax] jest rozsądnym średnim poziomem mocy do ocenyP_Diss. Na tym poziomie rozpraszanie stadium wyjściowego klasy D jest dziewięć razy mniej niż klasa B, a 107 razy mniej niż klasa A.

Dla wzmacniacza audio z 10- wP_OBCIĄŻENIEMax, średniaP_OBCIĄŻENIE1 W można uznać za realistyczny poziom słuchania. W tym stanie 282 MW jest rozpraszane w etapie wyjściowej klasy D, vs. 2,53 W dla klasy B i30.2 WW klasie A. W tym przypadku wydajność klasy D jest zmniejszona do 78%-z 90% przy wyższej mocy. Ale nawet 78% jest znacznie lepsze niż skuteczność klasy B i A odpowiednio -28 i 3%.

Różnice te mają ważne konsekwencje dla projektowania systemu. W przypadku poziomów mocy powyżej 1 W nadmierne rozpraszanie liniowych stadiów wyjściowych wymaga znacznych miar chłodzenia, aby uniknąć niedopuszczalnego ogrzewania typowego poprzez zastosowanie dużych płyt metalu jako radiatorów lub wentylatorów do wysadzania powietrza nad wzmacniaczem. Jeśli wzmacniacz jest zaimplementowany jako obwód zintegrowany, może być potrzebny nieporęczny i kosztowny pakiet wzmocniony termicznie, aby ułatwić transfer ciepła. Rozważania te dotyczą produktów konsumenckich, takich jak telewizory z płaskim ekranem, w których przestrzeń znajduje się na dźwięku premium lub motoryzacyjnym, w którym trend jest wkurzony wyższymi liczbami kanałów w stałą przestrzeń.

W przypadku poziomów mocy poniżej 1 W zmarnowana moc może stanowić większą trudność niż wytwarzanie ciepła. W przypadku zasilania z baterii liniowy etap wyjściowy wyczerpałby ładunek akumulatora szybciej niż konstrukcja klasy D. W powyższym przykładzie etap wyjściowy klasy D zużywa 2,8 razy mniej prądu zaopatrzenia niż klasa B i 23,6 razy mniej niż wydzielanie klasy A w dużej różnicy w życiu akumulatorów stosowanych w produktach takich jak telefony komórkowe, PDA i odtwarzacze MP3.

Dla uproszczenia analiza dotychczas skupiła się wyłącznie na wzmacniaczuwyjściegradacja. Jednakże, gdy biorą udział wszystkie źródła rozpraszania mocy w systemie wzmacniacza, wzmacniacze liniowe mogą porównywać się bardziej korzystnie z wzmacniaczami klasy D przy niskich poziomach mocy wyjściowej. Powodem jest to, że moc potrzebna do wygenerowania i modulowania przebiegu przełączania może być znacząca na niskich poziomach. Zatem ogólnoświatowe odpady rozpraszania dobrze zaprojektowanych wzmacniaczy AB o niskiej do umiarkowanej mocy może sprawić, że będą konkurencyjne ze wzmacniaczami klasy D. Jednak rozpraszanie mocy klasy D jest jednak bez wątpienia lepsze dla wyższych zakresów mocy wyjściowej.

Terminologia wzmacniacza klasy D oraz wersje różnicowe vs.

Rysunek 3 pokazuje różnicową implementację tranzystorów wyjściowych i filtra LC w wzmacniaczu klasy D. TenMostekma dwaPrzykładowy mostObwody przełączające, które dostarczają impulsy o przeciwnej polaryzacji do filtra, które obejmują dwa cewki, dwa kondensatory i głośnik. Każdy przyrodni mostek zawiera dwa tranzystory wyjściowe-wysokoprzepustowe tranzystor (MH) połączone z dodatnim zasilaczem oraz niskim tranzystorem (ml) podłączonym do ujemnego zasilania. Schematy tutaj pokazują wysokie po stroniepTranzystory MOS. WysokienTranzystory MOS są często stosowane w celu zmniejszenia wielkości i pojemności, ale do ich kontrolowania wymagane są specjalne techniki napędu bramy (dalsze odczyt 1).

Pełne obwody m-mostu H_Dd;_ß). Dla danego v_Ddi v_ß, Różnicowy charakter mostu oznacza, że ​​może on dostarczyć dwukrotnie sygnał wyjściowy i czterokrotnie moc wyjściowa pojedynczych implementacji. Obwody przyrodniego mostu mogą być zasilane z dwubiegunowych zasilaczy lub pojedynczego zasilania, ale wersja pojedyncza podofikowania nakłada potencjalnie szkodliwe napięcie odchylenia DC, v, v_Dd/2, przez głośnik, chyba że dodano kondensator blokujący.

Zasilacz napięcia zasilania obwodów przyrodkowych mostowych można „pompować” poza ich wartości nominalne przez duże prądy indukcyjne z filtra LC. DV/dt przejściowego pompowania można ograniczyć, dodając duże kondensatory oddzielenia między v_Ddi v_ß. Obwody pełnego mostu nie cierpią na pompowanie autobusów, ponieważ prąd indukcyjny wpływa do jednego z przyrodnich mostów wypływa z drugiej, tworząc lokalną pętlę prądu, która minimalnie zakłóca zasilacze.

Czynniki w projektowaniu wzmacniacza klasy D.

Niższe rozproszenie mocy stanowi silną motywację do korzystania z klasy D do zastosowań audio, ale dla projektanta są ważne wyzwania. Należą do nich:

Wybór wielkości tranzystora wyjściowego

Ochrona stadium wyjściowego

Jakość dźwięku

Technika modulacji

Emi

Projekt filtra LC

Koszt systemu

Wybór wielkości tranzystora wyjściowego

Rozmiar tranzystora wyjściowego jest wybierany w celu optymalizacji rozpraszania mocy w szerokim zakresie warunków sygnałowych. Zapewnienie tegoV_Dspozostaje małe podczas prowadzenia dużychI_Ds wymaga oporu (R_NA) tranzystorów wyjściowych jako małe (zwykle {{0}}. 1 om do 0,2 om). Ale to wymaga dużych tranzystorów o znacznej pojemności bramkowej (C_G). Obwód napędu bramkowego, który przełącza pojemność, zużywa moc-CV²f, GdzieC to pojemność,V to zmiana napięcia podczas ładowania if to częstotliwość przełączania. Ta „strata przełączania” staje się nadmierna, jeśli pojemność lub częstotliwość jest zbyt wysoka, więc istnieją praktyczne limity górne. Wybór wielkości tranzystora jest zatem kompromisem między minimalizacjąI_Ds × V_Ds Straty podczas przewodnictwa a minimalizacjąprzełączaniestraty. Straty przewodzące zdominują rozpraszanie mocy i wydajność przy wysokich poziomach mocy wyjściowej, podczas gdy rozproszenie jest dominowane przez przełączanie strat na niskich poziomach wyjściowych. Producenci tranzystorów mocy starają się zminimalizowaćR_NA × C_G Produkt ich urządzeń, aby zmniejszyć ogólne rozpraszanie mocy w aplikacjach przełączających i zapewnić elastyczność w wyborze częstotliwości przełączania.

Ochrona etapu wyjściowego

Etap wyjściowy musi być chroniony przed wieloma potencjalnie niebezpiecznymi warunkami:

Przegrzanie: Rozpraszanie mocy stadium wyjściowego klasy D, choć niższe niż wzmacniacze liniowe, może nadal osiągnąć poziomy zagrażające tranzystorom wyjściowym, jeśli wzmacniacz jest zmuszony do zapewnienia bardzo wysokiej mocy przez długi czas. Aby chronić przed niebezpiecznym przegrzaniem, potrzebny jest obwód kontrolny monitorowania temperatury. W prostych schematach ochrony etap wyjściowy jest wyłączony, gdy jego temperatura, mierzona przez czujnik na chipie, przekraczaZachęcenie termicznePróg bezpieczeństwa i jest trzymany z dala, aż ostygnie. Czujnik może dostarczyć dodatkowych informacji o temperaturze, oprócz prostego wskazania binarnego na temat tego, czy temperatura przekroczyła próg wyłączenia. Przez pomiar temperatury obwód kontrolny może stopniowo obniżyć poziom objętości, zmniejszając rozpraszanie mocy i utrzymując temperaturę w granicach w ramach wymuszania dostrzegalnych okresów ciszy podczas zdarzeń termicznych.

Nadmierny przepływ prądu w tranzystorach wyjściowych: NiskiNARezystancja tranzystorów wyjściowych nie stanowi problemu, jeśli etap wyjściowy i zaciski głośników są odpowiednio połączone, ale ogromne prądy mogą powstać, jeśli węzły te są przypadkowo zwrócone dla siebie lub z dodatnim lub ujemnym zasilaniem. Jeśli są niezaznaczone, takie prądy mogą uszkodzić tranzystory lub otaczające obwody. W związku z tym potrzebny jest obwód ochrony przenoszenia wyjściowego wykrywania prądu. W prostych schematach ochrony etap wyjściowy jest wyłączony, jeśli prądy wyjściowe przekraczają próg bezpieczeństwa. W bardziej wyrafinowanych schematach wyjście czujnika prądu jest podawane z powrotem do poszukiwania wzmacniacza, aby ograniczyć prąd wyjściowy do maksymalnego bezpiecznego poziomu, jednocześnie umożliwiając ciągłe działanie wzmacniacza bez wyłączania. W tych programach zamknięcie może być wymuszone w ostateczności, jeśli próba ograniczania okaże się nieskuteczna. Efektywne ograniczniki prądu mogą również utrzymywać bezpieczne działanie wzmacniacza w obecności chwilowo dużych prądów przejściowych z powodu rezonansów głośników.

Podpięcie: Większość obwodów stadium wyjściowego przełączającego działa dobrze tylko wtedy, gdy dodatnie napięcia zasilania są wystarczająco wysokie. Problemy wyniki, jeśli istniejePodpięciewarunek, w którym zapasy są zbyt niskie. Ten problem jest powszechnie obsługiwany przezblokada podnapietowaObwód, który pozwala na działanie etapów wyjściowych tylko wtedy, gdy napięcia zasilania znajdują się powyżej progu blokowania podwodnika.

Trzymanie tranzystora wyjściowego: Tranzystory stadium wyjściowego MH i ML (ryc. 6) mają bardzo niskieNAopór. Dlatego ważne jest, aby unikać sytuacji, w których zarówno MH, jak i ML są jednocześnie, ponieważ stworzyłoby to ścieżkę o niskiej oporności z V._Dddo v_ßprzez tranzystory i dużeStrzelanieaktualny. W najlepszym wypadku tranzystory rozgrzewają się i marnują moc; W najgorszym przypadku tranzystory mogą zostać uszkodzone.Break-Before-MakeKontrola tranzystorów zapobiega stanowi strzelania poprzez wymuszanie obu tranzystorów przed włączeniem jednego. Wezwani są odstępy czasu, w których oba tranzystory są wyłączoneczas bez przewoduLubczas martwy.

Rysunek 6. Przełączanie tranzystorów wyjściowych na stadium wyjściowym.

Jakość dźwięku

Należy rozwiązać kilka problemów, aby osiągnąć dobrą ogólną jakość dźwięku w wzmacniaczach klasy D.

Kliknięcia i pops, które występują, gdy wzmacniacz włącza się lub wyłącza, mogą być bardzo denerwujące. Niestety są one łatwe do wprowadzenia do wzmacniacza klasy D, chyba że zwrócono się na stan modulatora, czas na stadium wyjściowym i stan filtra LC, gdy wzmacniacz jest wyciszony lub pozbawiony rozwinięty.

Stosunek sygnału do szumu (SNR):Aby uniknąć słyszalnych syków z podłogi hałasu wzmacniacza, SNR powinien zazwyczaj przekraczać 90 dB w wzmacniaczach o niskiej mocy do zastosowań przenośnych, 100 dB dla konstrukcji średniej mocy i 110 dB dla konstrukcji o dużej mocy. Jest to możliwe do osiągnięcia dla szerokiej gamy implementacji wzmacniaczy, ale poszczególne źródła hałasu muszą być śledzone podczas projektowania wzmacniacza, aby zapewnić zadowalający ogólny SNR.

Mechanizmy zniekształceń:Obejmują one nieliniowości w technice modulacji lub implementacji modulatora--a czas martwego wykorzystany na etapie wyjściowym w celu rozwiązania bieżącego problemu.

Informacje o poziomie sygnału audio są ogólnie kodowane w szerokości impulsów wyjściowych modulatora klasy D. Dodanie czasu martwego, aby zapobiec prądom strzału na etap wyjściowym wprowadza nieliniowy błąd taktowania, który powoduje zniekształcenie w głośniku proporcjonalnym do błędu pomiaru czasu w stosunku do idealnej szerokości impulsu. Najkrótszy czas martwy, który pozwala uniknąć strzelania, jest często najlepszy do minimalizacji zniekształceń; Szczegółowa metoda projektowania znajduje się w dalszej części czytania 2 w celu optymalizacji wydajności zniekształceń etapów wyjściowych przełączania.

Inne źródła zniekształceń obejmują: niedopasowanie czasów wzrostu i upadku w impulsach wyjściowych, niedopasowanie charakterystyk czasowych dla obwodów z napędem bramki tranzystorowej oraz nieliniowości w składnikach filtra LC dolnoprzepustowego.

Odrzucenie zasilania (PSR):W obwodzie na ryc. 2 pary hałasu zasilania prawie bezpośrednio do głośnika z bardzo niewielkim odrzuceniem. Dzieje się tak, ponieważ tranzystory na etapie wyjściowym łączą zasilanie do filtra dolnoprzepustowego przez bardzo niski opór. Filtr odrzuca szum o wysokiej częstotliwości, ale został zaprojektowany do przekazywania wszystkich częstotliwości dźwięku, w tym szumu. Zobacz dalsze odczyt 3, aby uzyskać dobry opis efektu szumu zasilania w obwodach jednokierunkowanych i różnicowych przełączania.

Jeżeli nie zostaną rozwiązane przez zniekształcenie, ani problemy z zasilaniem, trudno jest osiągnąć PSR lepszy niż 1 0 db lub całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD) lepsze niż 0,1%. Co gorsza, THD jest zwykle złym brzmieniem wysokiego rzędu.

Na szczęście istnieją dobre rozwiązania tych problemów. Używanie informacji zwrotnych z wysokim wzmocnieniem pętli (jak ma to miejsce w wielu projektach wzmacniaczy liniowych) bardzo pomaga. Informacje zwrotne z wejścia filtra LC znacznie poprawi PSR i osłabią wszystkie mechanizmy zniekształceń nie-LC. Nieliniowości filtrów LC można osłabić, włączając głośnik do pętli sprzężenia zwrotnego. Jakość dźwięku klasy audiofilskiej z PSR> 6 0 DB i THD <0,01% jest osiągalna w dobrze zaprojektowanych wzmacniaczach klasy D w zamkniętej pętli.

Informacje zwrotne komplikują jednak projekt wzmacniacza, ponieważ należy rozwiązać stabilność pętli (nietriwacyjne rozważanie dla projektu wysokiego rzędu). Konieczne jest również ciągłe informacje zwrotne analogowe w czasie, aby uchwycić ważne informacje na temat błędów pomiaru impulsu, więc pętla sterowania musi zawierać analogowe obwody do przetwarzania sygnału sprzężenia zwrotnego. W implementacjach wzmacniacza zintegrowanego obwodu może to zwiększyć koszt matrycy.

Aby zminimalizować koszt IC, niektórzy dostawcy wolą minimalizować lub wyeliminować zawartość obwodu analogowego. Niektóre produkty wykorzystują cyfrowy modulator otwartej pętli, a także konwerter analogowo-cyfrowy do wyczuwania zmian zasilania i dostosowywania zachowania modulatora w celu zrekompensowania, jak zaproponowano w dalszym odczytaniu 3. Może to poprawić PSR, ale nie rozwiązuje żadnego z problemów zniekształceń. Inne cyfrowe modulatory próbują wstępnie kompensować oczekiwane błędy czasowe etapu wyjściowego lub poprawić dla nieidealizacji modulatora. Może to przynajmniej częściowo rozwiązać niektóre mechanizmy zniekształceń, ale nie wszystkie. Zastosowania, które tolerują dość zrelaksowane wymagania dotyczące jakości dźwięku, mogą być obsługiwane przez tego rodzaju wzmacniacze klasy D, ale pewna forma informacji zwrotnej wydaje się niezbędna dla najlepszej jakości dźwięku.

Technika modulacji

Modulatory klasy D mogą być wdrażane na wiele sposobów, wspierane przez dużą ilość powiązanych badań i własności intelektualnej. Ten artykuł wprowadzi tylko podstawowe pojęcia.

Wszystkie techniki modulacji klasy D kodują informacje o sygnale audio w strumieniu impulsów. Ogólnie pulsszerokościsą powiązane z amplitudą sygnału audio, a widmo impulsów zawiera pożądaną zawartość sygnału audio oraz niepożądana (ale nieunikniona) zawartość wysokiej częstotliwości. Całkowita zintegrowana moc wysokiej częstotliwości we wszystkich schematach jest mniej więcej taka sama, ponieważ całkowita moc w przebiegach w dziedzinie czasu jest podobna, a według twierdzenia Parsevala moc w dziedzinie czasu musi równa mocy w dziedzinie częstotliwości. Jednak dystrybucja energii jest bardzo zróżnicowana: w niektórych schematach występują tony o wysokiej energii na podłodze o niskim hałasie, podczas gdy w innych schematach energia jest ukształtowana tak, aby odcienie są eliminowane, ale podłoga hałasu jest wyższa.

Najczęstszą techniką modulacji jestModulacja o szerokości pulsowej(PWM). Koncepcyjnie, PWM porównuje wejściowy sygnał audio z trójkątnym lub szalonym przebiegiem, który działa na stałymprzewoźnikczęstotliwość. To tworzy strumień impulsów na częstotliwości nośnej. W każdym okresie nośnika stosunek obowiązku impulsu PWM jest proporcjonalny do amplitudy sygnału audio. W przykładzie na ryc. 7 wejście audio i fala trójkątna są wyśrodkowane wokół 0 v, tak że dla wejścia 0 stosunek obowiązków impulsów wyjściowych wynosi 5 0%. W przypadku dużych dodatnich wkładów jest on blisko 100% i jest blisko 0% dla dużych ujemnych wejściowych. Jeśli amplituda dźwięku przekracza ampliturę fali trójkąta,Pełna modulacjawystępuje, gdy pociąg pulsowy przestaje przełączać, a współczynnik cła w poszczególnych okresach wynosi 0% lub 100%.

Rysunek 7. Koncepcja i przykład PWM.

PWM jest atrakcyjny, ponieważ umożliwia 100- db lub lepsze SNR pasma audio na częstotliwościach nośnych PWM wynoszącej kilkaset kilohertzowych na tyle, aby ograniczyć straty przełączania na etapie wyjściowym. Ponadto wiele modulatorów PWM jest stabilnych do prawie 100% modulacji, w koncepcji umożliwiającej wysoką moc wyjściową do punktu przeciążenia. Jednak PWM ma kilka problemów: po pierwsze, proces PWM z natury dodaje zniekształceń w wielu implementacjach (dalsze czytanie 4); Następnie harmoniczne częstotliwości nośnej PWM wytwarzają EMI w ramach radiu AM; I wreszcie szerokości impulsu PWM stają się bardzo małe w pobliżu pełnej modulacji. Powoduje to problemy w większości obwodów sterownika bramkowego na stadium wyjściowym--z ich ograniczoną zdolnością napędu, nie mogą one poprawnie przełączać się przy nadmiernych prędkościach potrzebnych do odtworzenia krótkich impulsów o szerokości kilku nanosekund. W związku z tym pełna modulacja jest często nieosiągalna u wzmacniaczy opartych na PWM, ograniczając maksymalną możliwą moc wyjściową do czegoś mniejszego niż teoretyczne maksimum-co uwzględnia tylko napięcie zaopatrzenia, tranzystor, tranzystorNAopór i impedancja głośników.

Alternatywą dla PWM jestModulacja gęstości impulsowej(PDM), w którym liczba impulsów w danym oknie czasowym jest proporcjonalna do średniej wartości sygnału audio wejściowego. Poszczególne szerokości impulsów nie mogą być dowolne jak w PWM, ale zamiast tego są „skwantowane” na mnożniki okresu zegara modulatora. 1- Bit Sigma-Delta modulacja jest formą PDM.

Znaczna część energii o wysokiej częstotliwości w Sigma-Delta jest rozmieszczona w szerokim zakresie częstotliwości, a nie skoncentrowane w tonach przy wielokrotności częstotliwości nośnej, tak jak w modulacji Sigma-Delta Sigma-Delta z potencjalną przewagą EMI nad PWM. Energia nadal istnieje na zdjęciach częstotliwości zegara próbkowania PDM; Ale przy typowych częstotliwościach zegara od 3 MHz do 6 MHz, obrazy są poza pasmem częstotliwości dźwięku-i są silnie osłabione przez filtr LC dolnoprzepustowy.

Kolejną zaletą Sigma-Delta jest to, że minimalna szerokość impulsu to jeden okres zegaru próbkowania, nawet w przypadku warunków sygnałowych zbliżających się do pełnej modulacji. Ułatwia to projektowanie bramy i umożliwia bezpieczne działanie na teoretyczną pełną moc. Niemniej jednak 1- modulacja bitów Sigma-Delta nie jest często używana w wzmacniaczach klasy D (dalsze odczyt 4), ponieważ konwencjonalne modulatory bitów 1- są stabilne dla 50% modulacji. Potrzebne jest również co najmniej 64 × nadpróbkowanie, aby osiągnąć wystarczającą liczbę SNR w paśmie audio, więc typowe szybkości danych wyjściowych wynoszą co najmniej 1 MHz, a wydajność energetyczna jest ograniczona.

Ostatnio,samozadowolenieWzmacniacze zostały opracowane, takie jak ten w dalszym odczytaniu 5. Ten typ wzmacniacza zawsze zawiera pętlę sprzężenia zwrotnego, z właściwościami pętli określającej częstotliwość przełączania modulatora, zamiast zewnętrznego zegara. Energia o wysokiej częstotliwości jest często bardziej równomiernie rozmieszczona niż w PWM. Możliwe jest doskonałą jakość dźwięku, dzięki opinii, ale pętla jest samosiężna, więc trudno jest zsynchronizować z innymi obwodami przełączającymi lub połączyć się z cyfrowymi źródłami audio bez uprzedniego przekształcania cyfrowego na analog.

Obwód pełnego mostu (ryc. 3) może użyć modulacji „3-”, aby zmniejszyć różnicowy EMI. W przypadku konwencjonalnego działalności różnicowej biegunowość wyjściowa przyrodniego mostu A musi być przeciwna do połowy mostu B. Istnieją tylko dwa różnicowe stany robocze: wyjście A wysokie z wyjściem B niskim; i niski poziom z B. Istnieją jednak dwa dodatkowe stany w trybie wspólnym, w których oba wyjściowe mostki są taką samą polaryzmem (zarówno wysokie lub oba niskie). Jeden z nichMod wspólnyStany mogą być używane w połączeniu z stanami różnicowymi do wyprodukowania modulacji stanu {0}}, w którym wejście różnicowe do filtra LC może być dodatnie, 0 lub ujemne. Stan 0 może być używany do przedstawienia niskich poziomów mocy, zamiast przełączania między stanem dodatnim i ujemnym, jak w schemacie stanu 2-. Bardzo niewielka aktywność różnicowa występuje w filtrze LC w stanie 0, zmniejszając różnicowy EMI, chociaż faktycznie zwiększając EMI w trybie wspólnym. Różnicowa korzyść ma zastosowanie tylko na niskich poziomach mocy, ponieważ stany dodatnie i ujemne muszą być nadal używane do dostarczenia znacznej mocy głośnikowi. Zmienny poziom napięcia w trybie wspólnym w schematach modulacji stanu 3- stanowi wyzwanie projektowe dla wzmacniaczy zamkniętej pętli.

Oswajanie Emi

Składniki wysokiej częstotliwości wzmacniacza klasy D wynika, że ​​zasługuje na poważne rozważenie. Jeśli nie są odpowiednio zrozumiane i zarządzane, te elementy mogą generować duże ilości EMI i zakłócać działanie innego sprzętu.

Niepokojące są dwa rodzaje EMI: sygnały, które są promieniowane w kosmos i te, które są prowadzone za pomocą przewodów-głośników i zasilania. Schemat modulacji klasy D określalinia bazowaSpektrum składników przeprowadzonych i promieniowanych EMI. Jednak niektóre techniki projektowania na poziomie deski można zastosować w celu zmniejszenia EMI emitowanego przez wzmacniacz klasy D, pomimo jego wyjściowego spektrum.

Przydatną zasadą jest zminimalizowanie obszaru pętli, które niosą prądy o wysokiej częstotliwości, ponieważ siła powiązanego EMI jest związana z obszarem pętli i bliskością pętli do innych obwodów. Na przykład cały filtr LC (w tym okablowanie głośników) powinno być ustawione tak zwięźnie, jak to możliwe, i trzymane blisko wzmacniacza. Ślady bieżącego napędu i ścieżek powrotnych powinny być utrzymywane razem, aby zminimalizować obszary pętli (pomocne jest skręcone pary dla przewodów głośników). Kolejnym miejscem na skupienie się na dużych przejściach ładowania, które występują podczas przełączania pojemności bramki tranzystorów na etapie wyjściowym. Zasadniczo ten ładunek pochodzi zzbiornikPojemność, tworząc bieżącą pętlę zawierającą oba pojemności. Wpływ EMI stanów przejściowych w tej pętli można zmniejszyć poprzez minimalizację obszaru pętli, co oznacza jak najdokładniej umieszczanie pojemności zbiornika z odpłacanym przez nią tranzystora.

Czasami pomocne jest wstawienie dławików RF szeregowo z zasilaczami dla wzmacniacza. Prawidłowo umieszczone mogą ograniczać prądy przejściowe o wysokiej częstotliwości do lokalnych pętli w pobliżu wzmacniacza, zamiast być prowadzonym na duże odległości w dół przewodów zasilania.

Jeśli czas nieoverlap z napędem bramowym jest bardzo długi, prądy indukcyjne z głośnika lub filtra LC mogą pasożytnicze diody do przodu na terminach tranzystorów na stadium wyjściowym. Po zakończeniu czasu nieoverlapu odchylenie na diodzie jest zmieniane z przodu na odwrotność. Duże kolce prądu odwrotnego odzyskania mogą przepływać, zanim dioda całkowicie się wyłączy, tworząc kłopotliwe źródło EMI. Problem ten można zminimalizować, utrzymując czas nieoverlap bardzo krótki (zalecany również w celu zminimalizowania zniekształceń dźwięku). Jeśli zachowanie odwrotnego odzyskania jest nadal niedopuszczalne, diody Schottky można równolegle z pasożytniczymi diodami tranzystora, aby odwrócić prądy i zapobiec włączaniu pasożytniczej diody. Pomaga to, ponieważ połączenia metal-semiconductor diod Schottky są wewnętrznie odporne na efekty odwrotnego odzyskania.

Filtry LC z toroidalnym rdzeniem indukcyjnym mogą zminimalizować zbłąkane linie pola wynikające z prądów wzmacniacza. Promieniowanie z tańszegobębenRdzenie można zmniejszyć przez ekranowanie, dobry kompromis między kosztami a wydajnością EMI-jeśli jest to opieka, aby zapewnić, że ekranowanie nie uwzględniają liniowości induktorowej i jakości dźwięku na głośniku.

Projekt filtra LC

Aby zaoszczędzić na kosztach i przestrzeni planszowej, większość filtrów LC dla wzmacniaczy klasy D to projekty drugiego rzędu, dolnoprzepustowe. Rysunek 3 przedstawia różnicową wersję filtra LC drugiego rzędu. Głośnik służy do tłumienia nieodłącznego rezonansu obwodu. Chociaż impedancja głośnika jest czasem przybliżona jako prosty opór, faktyczna impedancja jest bardziej złożona i może obejmować znaczące elementy reaktywne. Aby uzyskać najlepsze wyniki w projektowaniu filtrów, zawsze należy starać się użyć dokładnego modelu głośnika.

Wspólnym wyborem projektu filtra jest dążenie do najniższej przepustowości, dla którejomdlećW odpowiedzi filtra przy najwyższej częstotliwości audio są minimalizowane. Typowy filtr ma odpowiedź 40- KHz Butterworth (aby osiągnąć maksymalnie płaski pasek), jeśli pożądane jest opadanie mniejsze niż 1 dB dla częstotliwości do 20 kHz. Nominalne wartości składników w tabeli dają przybliżoną odpowiedź Butterworth dla impedancji wspólnych głośników i standardowych wartości L i C:

Jeśli projekt nie zawiera informacji zwrotnej od głośnika, THD na głośniku będzie wrażliwy na liniowość komponentów filtra LC.

Czynniki projektowe indukcyjnego:Ważne czynniki w projektowaniu lub wyborze cewki indukcyjnej obejmują bieżącą ocenę rdzenia i kształt oraz opór uzwojenia.

Obecna ocena: Wybrany rdzeń powinien mieć prąd prąd powyżej najwyższego oczekiwanego prądu wzmacniacza. Powodem jest to, że wiele rdzeni indukcyjnych będzie magnetycznie nasycone, jeśli prąd przekroczy próg prądu, a gęstość strumienia staje się zbyt wysoka w niepożądanej drastycznej redukcji indukcyjności.

INDUKCJA jest tworzona przez owinięcie drutu wokół rdzenia. Jeśli istnieje wiele zwrotów, rezystancja związana z całkowitą długością drutu jest znacząca. Ponieważ ten opór jest szeregowo między przyrodkowym mostkiem a głośnikiem, część mocy wyjściowej zostanie w nim rozproszona. Jeśli rezystancja jest zbyt wysoka, użyj grubszego przewodu lub zmień rdzeń na inny materiał, który wymaga mniejszej liczby drutów, aby zapewnić pożądaną indukcyjność.

Wreszcie, nie należy zapominać, że forma zastosowanego induktora może wpłynąć na EMI, jak wspomniano powyżej.

Koszt systemu

Jakie są ważne czynniki w całkowitym koszcie systemu audio, który wykorzystuje wzmacniacze klasy D? Jak możemy zminimalizować koszty?

.aktywnySkładniki wzmacniacza klasy D są etap wyjściowy i modulator. Ten obwód można zbudować za mniej więcej taki sam koszt co analogowy wzmacniacz liniowy. Prawdziwe kompromisy występują przy rozważaniu innych elementów systemu.

Niższe rozproszenie klasy D oszczędza koszty (i przestrzeń) urządzeń chłodzących, takich jak ciepła lub wentylatory. Wzmacniacz zintegrowanego obwodu klasy D może być w stanie użyć mniejszego i tańszego pakietu niż jest to możliwe dla liniowego. Po wyprowadzeniu z cyfrowego źródła dźwięku analogowe wzmacniacze liniowe wymagają konwerterów d/A (DACS) do konwersji dźwięku na formę analogową. Dotyczy to również wzmacniaczy analogowych klas D, ale cyfrowe typy wejściowe skutecznie integrują funkcję DAC.

Z drugiej strony głównym kosztem klasy D jest filtr LC. Komponenty-szczególnie przestrzeń kombinacji induktorów i dodają kosztów. W wzmacniaczach o dużej mocy ogólny koszt systemu jest nadal konkurencyjny, ponieważ koszt filtra LC jest kompensowany dużymi oszczędnościami w aparacie chłodzącym. Ale w przypadku wrażliwych na koszty, niskiej mocy koszt indukcyjnego staje się uciążliwy. W skrajnych przypadkach, takich jak tanie wzmacniacze telefonów komórkowych, IC wzmacniacza może być tańszy niż całkowity koszt filtra LC. Ponadto, nawet jeśli koszt pieniężny jest ignorowany, przestrzeń zarządu zajmowana przez filtr LC może być problemem w zastosowaniach o małych czynnikach.

Aby rozwiązać te obawy, filtr LC jest czasem całkowicie eliminowany, aby utworzyćbez filtrawzmacniacz. Oszczędza to koszty i przestrzeń, choć tracąc korzyści z filtrowania dolnoprzepustowego. Bez filtra rozpraszanie mocy EMI i wysokiej częstotliwości może wzrosnąć niedopuszczalnie przystępne, głośnik jest indukcyjny i trzymany bardzo blisko wzmacniacza, obszary pętli prąd są minimalne, a poziomy mocy są niskie. Choć często możliwe w przenośnych aplikacjach, takich jak telefony komórkowe, nie jest to możliwe w przypadku systemów o wyższej mocy, takich jak domowe stereo.

Innym podejściem jest zminimalizowanie liczby wymaganych komponentów filtra LC na kanał audio. Można to osiągnąć za pomocą jedno-końcowych etapów wyjściowych przyrodniego mostu, które wymagają połowy liczby LS i CS potrzebnych do obwodów różnicowych, pełnego mostu. Ale jeśli pół-mostka wymaga dwubiegunowych zasilaczy, koszt związany z generowaniem ujemnego podaży może być wygórowi, chyba że ujemna dostawa jest już obecna w innym celu, a wzmacniacz ma wystarczającą ilość kanałów audio, aby amortyzować koszt ujemnej dostawy. Alternatywnie, pół mostka może być zasilana z pojedynczego zasilania, ale zmniejsza to moc wyjściową i często wymaga dużego kondensatora blokującego prąd stałego.

Urządzenia analogowe Wzmacniacze klasy D.

Wszystkie omówione wyzwania projektowe mogą stanowić dość wymagający projekt. Aby zaoszczędzić czas dla projektanta, urządzenia analogowe oferuje różnorodne obwody zintegrowane wzmacniacza klasy D, zawierające programowalne wzmacniacze, modulatory i etapy mocy wyjściowej. Aby uprościć ocenę, dla każdego typu wzmacniacza dostępne są płyty demonstracyjne w celu uproszczenia oceny. Układ PCB i rachunki na rachunki dla każdej z tych płyt służą jako wykonalny projekt referencyjny, pomagając klientom szybko projektować, opłacalne systemy audio bez konieczności „ponownego odkrywania koła” w celu rozwiązania głównych wyzwań związanych z projektowaniem wzmacniacza klasy D.

Rozważmy na przykład, AD1990, AD1992 i AD 1994- rodzina podwójnego amplifitra ICS, ukierunkowana na aplikacje stereo lub mono wymagające dwóch kanałów z wynikami wyjściowymi do 5-, 10- i {{9} W, odpowiednio. Oto kilka właściwości tych IC:

Wzmacniacz dźwięku AD1994 klasy D łączy dwa programowalne wzmacniacze, dwa modulatory Sigma-Delta i dwa etapy wyposażenia, aby napędzać pełne obciążenia związane z mostem H w aplikacjach audio w teatrze, motoryzacyjnym i komputerowym. Generuje przełączanie przebiegu, które mogą napędzać głośniki stereo w temperaturze do 25 W na głośnik lub pojedynczy głośnik do 50 W Monofonicznej, o wydajności 90%. Jego jednokierunkowe wejścia są stosowane do wzmacniacza programowalnego (PGA) z zyskami rozwiązywalnymi do 0-, 6-, 12- i 18 dB, do obsługi sygnałów niskiego poziomu.

The device has integrated protection against output-stage hazards of overheating, overcurrent, and shoot-through current. There are minimal clicks and pops associated with muting, thanks to special timing control, soft start, and dc offset calibration. Specifications include 0.001% THD, 105-dB dynamic range, and >60 dB PSR, przy użyciu ciągłego analogowego sprzężenia zwrotnego z etapu wyjściowego przełączania i zoptymalizowanego napędu bramki scenicznej wyjściowej. Jego modulator Sigma-Delta Bit 1- jest szczególnie wzmocniony dla aplikacji klasy D, aby osiągnąć średnią częstotliwość danych 500 kHz, z wysokim wzrostem pętli do 90% modulacji i stabilności do pełnej modulacji. AsamodzielneTryb modulatora pozwala mu napędzać zewnętrzne FET dla wyższej mocy wyjściowej.

Używa zasilania {0}}} dla PGA, modulatora i logiki cyfrowej oraz zasilania wysokiego napięcia od 8 V do 20 V dla etapu wyjściowego przełączania. Powiązany projekt referencyjny spełnia wymagania EMI klasy BCC klasy B. Podczas jazdy 6 omów z 5- v i 12- V, AD1994 rozprasza 487 MW, 710 MW przy 2 1- w poziomie wyjściowym i 0,27 MW w calPower-Downtryb. Dostępny w pakiecie LFCSP 64-, jest on określony od –40 stopnia do +85

Więcej informacji technicznych na temat wzmacniaczy klasy D, w tym implementacje z procesorami Blackfin-można znaleźć w sekcji dalszej lektury.