Audio pojačala klase D: što, zašto i kako

Pojačala klase D, prvi put predložena 1958., postaju sve popularnija posljednjih godina. Koja su pojačala klase D? Kako se uspoređuju s drugim vrstama pojačala? Zašto je klasa D od interesa za zvuk? Što je potrebno za izradu "dobrog" pojačala audio klase D? Koje su značajke Adi's Class D pojačala proizvode? Pronađite odgovore na sva ova pitanja na sljedećim stranicama.

Pozadina audio pojačala

Cilj audio pojačala je reproduciranje ulaznih audio signala na izlaznim elementima koji stvaraju zvuk, sa željenim volumenom i razinama snage, vjerno, učinkovito i pri niskom izobličenju. Audio frekvencije kreću se od oko 20 Hz do 20 kHz, tako da pojačalo mora imati dobar frekvencijski odziv u ovom rasponu (manje pri vožnji zvučnika koji je ograničen na traku, poput avukonili avisokotonaša). Mogućnosti napajanja uvelike se razlikuju ovisno o aplikaciji, od Milliwattsa u slušalicama, do nekoliko vata u TV ili PC zvuku, do desetaka vata za "mini" kućne stereo uređaje i automobilski zvuk, do stotina vata i šire za snažniji kućni i komercijalni zvučni sustavi ili za punjenja zvuka ili revizija.

Izravna analogna implementacija audio pojačala koristi tranzistore u linearnom načinu za stvaranje izlaznog napona koji je skalirana kopija ulaznog napona. Dobitak napona prema naprijed obično je visok (najmanje 40 dB). Ako je napredni dobitak dio petlje za povratne informacije, ukupnodobitak petljebit će i visok. Povratne informacije se često koriste jer visoki dobitak petlje poboljšava izobličenje koje suzbija performanse uzrokovane nelinearnošću u naprijed i smanjujući buku napajanja povećanjem odbacivanja napajanja (PSR).

Prednost pojačala klase D

U uobičajenom pojačalu tranzistora,izlazna fazaSadrži tranzistore koji opskrbljuju trenutnu kontinuiranu izlaznu struju. Mnoge moguće implementacije za audio sustave uključuju klase A, AB i B.Klasa DDizajni, rasipanje snage izlazne faze je veliko u čak i najučinkovitijemlinearanizlazne faze. Ova razlika daje značajne prednosti klase D u mnogim aplikacijama, jer niža rasipanja energije stvara manje topline, štedi prostor i trošak pločice, te produžava trajanje baterije u prijenosnim sustavima.

Linearna pojačala, pojačala klase D i rasipanje snage

Izlazne faze linearnog pojačala izravno su povezane s zvučnikom (u nekim slučajevima putem kondenzatora). Ako se u izlaznom stupnju koriste tranzistori bipolarnog spajanja (BJT), oni uglavnom rade u linearnom načinu, s velikim naponima kolektora-emiter. Izlazni stupanj mogao bi se implementirati i s MOS tranzistorima, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1. CMOS linearna izlazna faza.

Snaga se rasipa u svim linearnim izlaznim fazama, jer proces generiranjaV_Van neizbježno uzrokuje ne -nuleI_DS iV_DS U najmanje jednom izlaznom tranzistoru. Količina rasipanja snage snažno ovisi o metodi koja se koristi za pristranost izlaznih tranzistora.

AKlasa aTopology koristi jedan od tranzistora kao izvor istosmjerne struje, koji može opskrbiti maksimalnu audio struju koju je potreban zvučnik. Dobra kvaliteta zvuka moguća je s izlaznom fazom klase A, ali rasipanje snage je prekomjerna jer velika struja pristranosti DC obično teče u izlaznom stadijutranzistori(gdje to ne želimo), bez isporuke uzvučnik(gdje to želimo).

AKlasa bTopologija eliminira struju DC pristranosti i raspršuje znatno manje snage. Njegovi izlazni tranzistori pojedinačno se kontroliraju na način push-pull, omogućujući MH uređaju da dostavi pozitivne struje zvučniku, a ML da potone negativne struje. To smanjuje rasipanje snage izlaznog stupnja, a samo signalna struja provedena kroz tranzistore. Klasa B krug ima inferiornu kvalitetu zvuka, međutim, zbog nelinearnog ponašanja (Crossover izobličenje) Kad izlazna struja prođe kroz nulu i tranzistori se mijenjaju između uvjeta uključivanja i isključivanja.

Klasa AB, hibridni kompromis klase A i B, koristi neke struje DC pristranosti, ali mnogo manje od čistog dizajna klase A. Mala struja DC pristranosti dovoljna je da spriječi crossover izobličenje, omogućujući dobru kvalitetu zvuka. Raspršivanje snage, iako između granica klase A i klase B, obično je bliže klasu B. Potrebne su kontrola, slično kao u krugu klase B, kako bi se omogućilo da krug AB klase dovodi ili potone velike izlazne struje.

Nažalost, čak i dobro osmišljeno pojačalo klase AB ima značajno rasipanje snage, jer su njegovi izlazni naponi srednjeg raspona uglavnom daleko od pozitivnih ili negativnih opskrbnih šina. Veliki pad napona izvora izvora tako da tako proizvode značajneI_DS × V_DStrenutačno rasipanje snage.

Zahvaljujući drugoj topologiji (slika 2),Klasa DPojačalo raspršuje mnogo manje snage od bilo kojeg od gore navedenog. Njegov izlazni stupanj prelazi između pozitivnih i negativnih napajanja kako bi se stvorio vlak naponskih impulsa. Ovaj valni oblik je dobroćudan za rasipanje snage, jer izlazni tranzistori imaju nultu struju kada se ne prebacuju i imaju niskoV_DS Kada provode struju, daju tako i manjiI_DS × V_DS.

Slika 2. klase D dijagram bloka otvorenog kruga-amplifikatora.

Budući da većina audio signala nije pulsni vlakovi, mora biti uključen modulator za pretvaranje audio unosa u impulse. Frekvencijski sadržaj impulsa uključuje i željeni audio signal i značajnu energiju visoke frekvencije povezane s postupkom modulacije. Filter s niskim prolazom često se ubacuje između izlazne faze i zvučnika kako bi se smanjila elektromagnetska smetnja (EMI) i izbjegavala vožnju zvučnika s previše visoke frekvencijske energije. Filter (slika 3) mora biti bez gubitaka (ili gotovo tako) kako bi se zadržala prednost udisaja napajanja u fazi prebacivanja izlaza. Filter obično koristi kondenzatore i induktore, s tim da je jedini namjerno disipacijski element zvučnik.

Slika 3. diferencijalnog izlaznog stupnja prekidača i LC niskopropusnog filtra.

Slika 4 uspoređuje idealno rasipanje snage izlazne faze (P_Diss) Za pojačala klase A i klase B s izmjerenim rasipanjem za pojačalo klase AD1994, crtana je protiv snage isporučene na zvučnika (P_OPTEREĆENJE), s obzirom na audio-frekvencijski sinusni valni signal. Brojevi snage se normaliziraju na razinu snage,P_OPTEREĆENJEmaksimum, na kojem je sinus dovoljno ošišan da uzrokuje 10% ukupne harmonične izobličenja (THD). Okomita linija označavaP_OPTEREĆENJEna kojem započinje isječak.

Slika 4. Dissipacija snage u izlaznim fazama klase A, klase B i klase D.

Značajne razlike u rasipanju snage vidljive su za širok raspon opterećenja, posebno pri visokim i umjerenim vrijednostima. Na početku isječka, rasipanje u izlaznom fazi klase D je oko 2,5 puta manja od klase B, a 27 puta manje od klase A. Imajte na umu da se u izlazu klase A troši više snage nego što se isporučuje na zvučnika-posljedica korištenja velike struje DC Pristranosti.

Učinkovitost snage izlazne faze,Eff, definirano je kao

Na početku isječka,Eff= 25% za pojačalo klase A, 78,5% za pojačalo klase B i 90% za pojačalo klase D (vidi sliku 5). Ove najbolje vrijednosti za klasu A i klasu B su one koje se često navode u udžbenicima.

Slika 5. učinkovitost napajanja klase A, klase B i izlaznih faza klase D.

Razlike u rasipanju i učinkovitosti snage šire se na razini umjerene snage. Ovo je važno za zvuk, jer su dugoročne prosječne razine glasne glazbe mnogo niže (prema faktorima od pet do 20, ovisno o vrsti glazbe) od trenutnih vršnih razina, koje se približavajuP_OPTEREĆENJEmaksimum. Dakle, za audio pojačala, [P_OPTEREĆENJE = 0.1 × P_OPTEREĆENJEmaksimum] je razumna prosječna razina snage na kojoj se može procijenitiP_Diss. Na ovoj razini, disipacija izlazne faze klase D devet je puta manja od klase B, a 107 puta manje od klase A.

Za audio pojačalo s 10- wP_OPTEREĆENJEmaksimum, prosjekP_OPTEREĆENJE1 W može se smatrati realnom razinom slušanja. Pod tim je uvjetom 282 MW raspršeno unutar izlazne faze klase D, u odnosu na 2,53 W za klasu B i30.2 WZa klasu A. U ovom se slučaju učinkovitost klase D smanjuje na 78% -U-od 90% s većom energijom. Ali čak je i 78% mnogo bolje od klase B i klase A efikasnosti -28%, odnosno 3%.

Te razlike imaju važne posljedice za dizajn sustava. Za razinu snage iznad 1 W, prekomjerno rasipanje linearnih izlaznih faza zahtijeva značajne mjere hlađenja kako bi se izbjeglo neprihvatljivo grijanje-tipično pomoću velikih ploča metala kao hladnjaka ili ventilatora za puhanje zraka preko pojačala. Ako se pojačalo implementira kao integrirani krug, možda će biti potreban glomazan i skup termički poboljšani paket kako bi se olakšao prijenos topline. Ta su razmatranja naporna u potrošačkim proizvodima kao što su televizori s ravnim ekranom, gdje je prostor na vrhunskom ili automobilskom zvuku, gdje je trend prema prebacivanju većeg broja kanala u fiksni prostor.

Za razinu snage ispod 1 W, izgubljena snaga može biti više poteškoća nego stvaranje topline. Ako se napaja iz baterije, linearna izlazna faza ispraznila bi se bateriju brže od dizajna klase D. U gornjem primjeru, izlazna faza klase D troši 2,8 puta manje opskrbe strujom od klase B i 23,6 puta manje od klase A-resulting u velikoj razlici u životu baterija koje se koriste u proizvodima poput mobitela, PDA-a i MP3 playera.

Radi jednostavnosti, do sada se analiza usredotočila isključivo na pojačaloizlazfaze. Međutim, kada se uzmu u obzir svi izvori rasipanja snage u sustavu pojačala, linearna pojačala mogu se povoljnije usporediti s pojačala klase D na niskim razinama izlazne snage. Razlog je taj što snaga potrebna za generiranje i moduliranje valnog oblika prebacivanja može biti značajna na niskim razinama. Dakle, u sustavu mirovanje u cijelom sustavu dobro dizajniranih AB pojačala s niskom do moderacijom može ih učiniti konkurentnim pojačavačima klase D. Međutim, rasipanje snage klase D je neupitno superiorno za veće raspone izlazne snage.

Terminologija pojačanja klase D i diferencijalna u odnosu na jednokratne verzije

Na slici 3 prikazana je diferencijalna implementacija izlaznih tranzistora i LC filtra u pojačalu klase D. OvajH-mostima dvapolu-mostPrebacivanje krugova koji dovode impulse suprotne polarnosti na filter, koji sastoji od dva induktora, dva kondenzatora i zvučnika. Svaki polu-most sadrži dva izlazna tranzistora-visoki tranzistor (MH) spojen na pozitivno napajanje i niski tranzistor (ML) spojen na negativno napajanje. Dijagrami ovdje pokazuju visoke stranepMOS tranzistori. VisoknMoS tranzistori često se koriste za smanjenje veličine i kapacitivnosti, ali za njihovo kontroliranje potrebne su posebne tehnike pogona vrata (daljnje čitanje 1).

Potpuni krugovi H-mosta uglavnom se kreću od jedne opskrbe (v_DD), s tlom koja se koristi za negativni terminal za opskrbu (v_SS). Za zadani v_DDi v_SS, Diferencijalna priroda mosta znači da može isporučiti dvostruko izlazni signal i četiri puta veću izlaznu snagu jednokatnih implementacija. Polaporni krugovi mogu se napajati od bipolarnih napajanja ili jedne opskrbe, ali verzija s jednom opskrbom nameće potencijalno štetni napon za pristranost DC, V_DD\/2, preko zvučnika, osim ako se ne doda blokirajući kondenzator.

Autobusi napona napajanja krugova pola mosta mogu se "napumpavati" izvan njihovih nominalnih vrijednosti velikim indukcijskim strujama iz LC filtra. DV\/DT prolaznog pumpa može se ograničiti dodavanjem velikih kondenzatora za razdvajanje između V_DDi v_SS. Krugovi punog mosta ne pate od pumpanja sabirnice, jer struja induktora koja izlazi u jedan od pola mostova izlazi iz drugog, stvarajući lokalnu strujnu petlju koja minimalno uznemirava napajanje.

Čimbenici u dizajnu pojačanja audio klase D

Niže rasipanje snage pruža snažnu motivaciju za upotrebu klase D za audio aplikacije, ali za dizajnera postoje važni izazovi. To uključuje:

Izbor veličine izlaznog tranzistora

Zaštita izlazne faze

Kvaliteta zvuka

Tehnika modulacije

EMI

LC filter dizajn

Trošak sustava

Izbor veličine izlaznog tranzistora

Veličina izlaznog tranzistora odabrana je za optimiziranje rasipanja snage u širokom rasponu signalnih uvjeta. Osiguravajući toV_DSostaje mali prilikom vođenja velikogI_DS zahtijeva otpor (R_NA) izlaznih tranzistora koji su mali (obično {{0}}. 1 ohm do 0,2 ohm). Ali to zahtijeva velike tranzistore sa značajnim kapacitetom vrata (C_G). Krug pogona vrata koji prebacuje kapacitet troši snagu-Životopis²f, gdjeC je kapacitet,V je promjena napona tijekom punjenja if je frekvencija prebacivanja. Ovaj "gubitak prebacivanja" postaje pretjeran ako je kapacitet ili frekvencija previsok, tako da postoje praktične gornje granice. Izbor veličine tranzistora stoga je kompromis između minimiziranjaI_DS × V_DS Gubici tijekom provođenja u odnosu na minimiziranjeprebacivanjegubici. Provodljivi gubici dominirat će disipacijom snage i učinkovitosti pri visokim razinama izlazne snage, dok disipacijom dominira prebacivanjem gubitaka na niskim izlaznim razinama. Proizvođači tranzistora napajanja pokušavaju umanjitiR_NA × C_G Proizvod njihovih uređaja za smanjenje ukupnog rasipanja energije u prebacivanju aplikacija i pružanja fleksibilnosti u izboru frekvencije prebacivanja.

Zaštita izlazne faze

Izlazni stupanj mora biti zaštićen od brojnih potencijalno opasnih uvjeta:

Pregrijavanje: Dissipacija snage izlazne faze klase D, iako niža od linearnih pojačala, i dalje može doseći razine koje ugrožavaju izlazne tranzistore ako je pojačalo prisiljeno isporučiti vrlo veliku snagu. Da bi se zaštitili od opasnog pregrijavanja, potreban je kontrolni krug za praćenje temperature. U jednostavnim zaštitnim shemama, izlazni stupanj se isključuje kada njegova temperatura, mjerena senzorom na čipu, premašuje atoplinsko propadanjeSigurnosni prag i zadržava se dok se ne ohladi. Senzor može pružiti dodatne informacije o temperaturi, osim jednostavne binarne indikacije o tome je li temperatura premašila prag isključivanja. Mjerenjem temperature, upravljački krug može postupno smanjiti razinu volumena, smanjujući rasipanje snage i održavajući temperaturu u okviru granica-insteada prisiljavanja na promatrana razdoblja tišine tijekom događaja toplinskog propadanja.

Prekomjerni protok struje u izlaznim tranzistorima: NiskonaOtpor izlaznih tranzistora nije problem ako su izlazni stupanj i terminali zvučnika pravilno spojeni, ali ogromne struje mogu rezultirati ako su ti čvorovi nehotice kratki spoj jedni drugima ili na pozitivni ili negativni opskrba napajanjem. Ako su neprovjerene, takve struje mogu oštetiti tranzistore ili okolni krug. Posljedično, potreban je strujni krug zaštite od izlaznog tranzistora. U jednostavnim shemama zaštite, izlazni stupanj se isključuje ako izlazne struje prelaze sigurnosni prag. U sofisticiranijim shemama, izlaz struje senzora vraća se natrag u traženje pojačala kako bi se izlaznu struju ograničila na maksimalnu sigurnu razinu, a istovremeno omogućava pojačalo da se neprekidno radi bez isključivanja. U tim se shemama isključivanje može prisiliti kao krajnje sredstvo ako se pokušaj ograničenja pokaže neučinkovitim. Učinkovita ograničivači struje također mogu sigurno održavati pojačalo u prisutnosti trenutačno velikih prolaznih struja zbog rezonancije zvučnika.

Pod naponom: Većina prekidača izlaznih faza djeluje dobro samo ako su pozitivni naponi napajanja dovoljno visoki. Problemi rezultiraju ako postojipod naponomuvjet, gdje su zalihe preniske. Ovim pitanjem obično rješavazaključavanje podnaponkrug, koji dopušta izlaznim fazama da rade samo ako su naponi napajanja iznad praga za podvoz.

Vrijeme uključivanja tranzistora izlaza: Tranzistori izlaznog stadija MH i ML (slika 6) imaju vrlo niskenaotpornost. Stoga je važno izbjegavati situacije u kojima su istovremeno i MH i ML, jer bi to stvorilo put s malim otporom iz V_DDdo v_SSkroz tranzistore i velikopucanjestruja. U najboljem slučaju, tranzistori će se zagrijati i trošiti energiju; U najgorem slučaju, tranzistori mogu biti oštećeni.Prije nego što se napraviKontrola tranzistora sprječava stanje pucanja protjerivanjem oba tranzistora prije nego što ga uključite. Vremenski intervali u kojima su oba tranzistora isključeni suvrijeme bez preklapanjailimrtvo vrijeme.

Slika 6. Prekid prijenosa tranzistora izlazne faze.

Kvaliteta zvuka

Mora se riješiti nekoliko problema kako bi se postigla dobra ukupna kvaliteta zvuka u pojačala klase D.

Klikovi i pops, koji se pojavljuju kada pojačalo uključi ili isključuje može biti vrlo neugodno. Nažalost, međutim, lako ih je uvesti u pojačalo klase D, osim ako se ne posveti pažljiva pažnja na stanje modulatora, vrijeme izlazne faze i stanje LC filtra kada je pojačalo prigušeno ili isključeno.

Omjer signal-šum (SNR):Da bi se izbjeglo zvučna zviždanja s podne buke pojačala, SNR bi obično trebao prelaziti 90 dB u pojačalima male snage za prijenosne primjene, 100 dB za dizajn srednje snage i 110 dB za dizajn velike snage. To je moguće postići za široku paletu implementacije pojačala, ali pojedinačni izvori buke moraju se pratiti tijekom dizajna pojačala kako bi se osigurao zadovoljavajući cjelokupni SNR.

Mehanizmi izobličenja:Oni uključuju nelinearnosti u implementaciji modulacije ili implementaciji modulatora i mrtvo vrijeme koje se koristi u izlaznom fazi za rješavanje strujnog problema.

Informacije o razini audio signala općenito su kodirane u širinama izlaznih impulsa modulatora klase D. Dodavanje mrtvog vremena kako bi se spriječilo izlazne stupnja struje kroz prolazne struje uvodi nelinearnu grešku u vremenu, koja stvara izobličenje na zvučniku srazmjerno vremenski pogrešci u odnosu na idealnu širinu pulsa. Najkraće mrtvo vrijeme koje izbjegava pucanje često je najbolje za minimiziranje izobličenja; Pogledajte daljnje čitanje 2 za detaljnu metodu dizajna kako biste optimizirali performanse izobličenja prebacivanja izlaznih faza.

Ostali izvori izobličenja uključuju: neusklađenost vremena porasta i pada u izlaznim impulsima, neusklađenost u vremenskim karakteristikama za izlazne tranzistorske sklopove i pogonskog kruga i nelinearnosti u komponentama LC niskopropusnog filtra.

Odbacivanje napajanja (PSR):U krugu na slici 2 parovi buke s napajanjem gotovo izravno na zvučnik s vrlo malo odbacivanja. To se događa zato što tranzistori izlazne faze povezuju napajanje na filtar niskog propusta kroz vrlo nizak otpor. Filter odbacuje visokofrekventnu buku, ali je dizajniran tako da prođe sve audio frekvencije, uključujući buku. Pogledajte daljnje čitanje 3 za dobar opis učinka buke napajanja u jednokratnim i diferencijalnim sklopovima izlaznog faza.

Ako se ne rješavaju ni izobličenje niti problemi s opskrbom napajanjem, teško je postići PSR bolji od 1 0 dB, ili ukupnog harmoničnog izobličenja (THD) bolje od 0,1%. Što je još gore, THD obično je loša zvučna vrsta visokog reda.

Srećom, postoje dobra rješenja za ta pitanja. Korištenje povratnih informacija s visokim dobitkom petlje (kao što je učinjeno u mnogim linearnim dizajnima pojačala) puno pomaže. Povratne informacije s ulaza LC filtra uvelike će poboljšati PSR i ublažiti sve mehanizme izobličenja koji nisu LC-filter. LC filter nelinearnosti mogu se oslabiti uključivanjem zvučnika u petlju povratnih informacija. Kvaliteta zvuka audiofila s PSR> 6 0 DB i THD <0,01% je moguće u dobro dizajniranim pojačanim pojačanjima klase zatvorene petlje.

Povratne informacije kompliciraju dizajn pojačala, međutim, jer se mora riješiti stabilnost petlje (netrivijalno razmatranje za dizajn visokog reda). Također, potrebne su analogne povratne informacije kontinuiranog vremena kako bi se obuhvatile važne informacije o pogreškama vremena impulsa, tako da upravljačka petlja mora uključivati ​​analogni krug za obradu povratnog signala. U implementaciji pojačala integriranog kruga, to može dodati trošak matrice.

Da bi umanjili troškove IC -a, neki dobavljači radije minimiziraju ili eliminiraju sadržaj analognog kruga. Neki proizvodi koriste digitalni modulator s otvorenom petljom, plus analogno-digitalni pretvarač kako bi osjetio varijacije napajanja i prilagođavanje ponašanja modulatora kako bi se nadoknadilo, kao što je predloženo u daljnjem čitanju 3. to može poboljšati PSR, ali neće riješiti nijedan od problema s izobličenjem. Ostali digitalni modulatori pokušavaju unaprijed nadoknaditi očekivane pogreške u vremenu izlazne faze ili ispraviti za modulator. To se barem dijelom može baviti nekim mehanizmima izobličenja, ali ne i svih. Aplikacije koje toleriraju prilično opuštene potrebe za kvalitetom zvuka mogu se baviti takvim vrstama pojačala s otvorenom petljom, ali čini se da je neki oblik povratnih informacija potreban za najbolju kvalitetu zvuka.

Tehnika modulacije

Modulatori klase D mogu se provesti na više načina, podržani velikom količinom povezanih istraživanja i intelektualnog vlasništva. Ovaj će članak uvesti samo temeljne koncepte.

Sve tehnike modulacije klase D kodiraju informacije o audio signalu u struju impulsa. Općenito, pulsširinepovezani su s amplitudom audio signala, a spektar impulsa uključuje željeni audio signal plus neželjeni (ali neizbježni) visokofrekventni sadržaj. Ukupna integrirana visokofrekventna snaga u svim shemama otprilike je ista, jer je ukupna snaga u valnim oblicima vremenske domene slična, a po Parsevalovoj teoremu, snaga u vremenskoj domeni mora izjednačiti snagu u frekvencijskoj domeni. Međutim, raspodjela energije uvelike varira: u nekim shemama postoje visoki energetski tonovi na podu niskog buke, dok je u drugim shemama energija oblikovana tako da se tonovi uklanjaju, ali dno buke je veći.

Najčešća tehnika modulacije jemodulacija širine pulsa(PWM). Konceptualno, PWM uspoređuje ulazni audio signal s trokutastim ili rampanjem valnim oblikom koji se radi na fiksnomprijevoznikfrekvencija. To stvara tok impulsa na frekvenciji nosača. Unutar svakog razdoblja nosača, omjer radnog pulsa PWM proporcionalan je amplitudi audio signala. U primjeru slike 7, audio ulaz i trokutasti val su usmjereni oko 0 v, tako da je za 0 ulaz, omjer dežurnih izlaznih impulsa 5 0%. Za veliki pozitivni unos je blizu 100%, a blizu je 0% za veliki negativni ulaz. Ako amplituda zvuka premašuje opasnost od trokuta,puna modulacijaJavlja se, gdje pulsni vlak prestaje prebacuje, a omjer radnog vremena unutar pojedinih razdoblja je 0% ili 100%.

Slika 7. PWM koncept i primjer.

PWM je atraktivan jer omogućava 100- dB ili bolji audio-opseg SNR na frekvencijama PWM nosača od nekoliko stotina kilohertz-niza dovoljno da ograničava gubitke prebacivanja u izlaznom stupnju. Također, mnogi PWM modulatori su stabilni do gotovo 100% modulacije, u konceptu koji dopušta visoku izlaznu napajanje do točke preopterećenja. Međutim, PWM ima nekoliko problema: Prvo, PWM proces inherentno dodaje izobličenje u mnogim implementacijama (daljnje čitanje 4); Zatim, harmonike frekvencije PWM nosača proizvode EMI unutar AM Radio Banda; I na kraju, širine PWM pulsa postaju vrlo male blizu pune modulacije. To uzrokuje probleme u većini prebacivanja krugova vozača izlazne faze s vratima s ograničenom pogonom, ne mogu se pravilno prebaciti na prekomjerne brzine potrebne za reprodukciju kratkih impulsa širinama nekoliko nanosekundi. Slijedom toga, puna modulacija je često nedostižna u pojačala koja se temelje na PWM-u, ograničavajući maksimalnu ostvarivu izlaznu snagu na nešto manje od teorijskog maksimalno-što smatra samo naponom za opskrbu napajanjem, tranzistornaOtpor i impedancija zvučnika.

Alternativa PWM -u jemodulacija gustoće pulsa(PDM), u kojem je broj impulsa u određenom vremenskom prozoru proporcionalan prosječnoj vrijednosti ulaznog audio signala. Pojedinačne širine impulsa ne mogu biti proizvoljne kao u PWM -u, već su umjesto "kvantizirane" na višestruke razdoblja sata modulatora. 1- Bit sigma-delta modulacija je oblik PDM-a.

Veliki dio visokofrekventne energije u Sigma-Delta raspoređen je u širokom rasponu frekvencija-ne koncentriranih u tonovima na višestrukim frekvencijama nosača, kao u modulaciji Sigma-Delta koja pruža PWM-a s potencijalnom EMI prednost u odnosu na PWM. Energija još uvijek postoji na slikama frekvencije sata uzorkovanja PDM -a; No, s tipičnim frekvencijama takta od 3 MHz do 6 MHz, slike su izvan pojasa audio frekvencije i snažno su oslabljene LC niskopropusnom filtrom.

Još jedna prednost Sigma-delta je ta što je minimalna širina impulsa jedno razdoblje uzorkovanja, čak i za signalne uvjete koji se približavaju punoj modulaciji. To olakšava dizajn vrata i omogućuje sigurnu operaciju teorijsku punu snagu. Unatoč tome 1- BIT sigma-delta modulacija se često ne koristi u pojačala klase D (daljnje čitanje 4), jer su konvencionalni 1- modulatori bit stabilni samo na 50% modulacije. Također, potrebno je najmanje 64 × prekomjerno preveliki za postizanje dovoljno SNR-a audio opsega, tako da su tipične izlazne brzine prijenosa najmanje 1 MHz, a učinkovitost električne energije ograničena.

Nedavno,samoossilcirajućiRazvijena su pojačala, poput onog u daljnjem čitanju 5., ova vrsta pojačala uvijek uključuje povratnu petlju, s svojstvima petlje koja određuje frekvenciju prebacivanja modulatora, umjesto izvana navedenog sata. Visokofrekventna energija često je ravnomjernije raspoređena nego u PWM-u. Izvrsna kvaliteta zvuka moguća je zahvaljujući povratnim informacijama, ali petlja je samooscilirajući, tako da je teško sinkronizirati s bilo kojim drugim sklopnim sklopovima ili povezati se s digitalnim audio izvorima bez prethodnog pretvaranja digitalnog u analogni.

Krug punog mosta (slika 3) može koristiti "3- stanje" modulacije za smanjenje diferencijalnog EMI. S konvencionalnim diferencijalnim operacijama, izlazna polaritet polu-mosta A mora biti suprotna onoj od polu-mosta B. Postoje samo dva različita radna stanja: izlazni su visoki s izlaznim b niskom; i niska s b visokom. Međutim, postoje dva dodatna stanja uobičajenog načina u kojima su oba izlaza od pola mosta iste polariteta (i visoke ili obje niske). Jedan od njihuobičajeni načinstanja se mogu koristiti zajedno s diferencijalnim stanjima za proizvodnju {{0}} stanja modulacije gdje diferencijalni ulaz u LC filter može biti pozitivan, 0 ili negativan. State 0 može se koristiti za predstavljanje niske razine snage, umjesto da se prebaci između pozitivnog i negativnog stanja kao u shemi 2-. Vrlo malo diferencijalne aktivnosti događa se u LC filtru tijekom stanja 0, smanjujući diferencijalni EMI, iako zapravo povećavajući EMI u uobičajenom načinu. Različita korist primjenjuje se samo na niskoj razini snage, jer se pozitivna i negativna stanja još uvijek moraju koristiti za postizanje značajne snage govorniku. Različite razine napona uobičajenog načina u 3- shema modulacije stanja predstavlja dizajnerski izazov za pojačala zatvorene petlje.

Upiti EMI

Visokofrekventne komponente pojačanja klase D zaslužuju ozbiljno razmatranje. Ako se ne razumiju i upravljaju, ove komponente mogu generirati velike količine EMI i poremetiti rad druge opreme.

Dvije vrste EMI-ja su zabrinjavajuće: signali koji se zrače u svemir i one koje se provode žicama zvučnika i napajanja. Shema modulacije klase D određuje aosnovniSpektar komponenti provedenih i zračenih EMI. Međutim, neke tehnike dizajna na razini ploče mogu se koristiti za smanjenje EMI koje emitira pojačalo klase D, usprkos njegovom osnovnom spektru.

Korisno princip je minimizirati područje petlje koje nose visokofrekventne struje, budući da je snaga povezanog EMI povezana s površinom petlje i blizinom petlji u druge krugove. Na primjer, cijeli LC filter (uključujući ožičenje zvučnika) trebao bi biti postavljen što je kompaktnije i držano blizu pojačala. Tragovi za trenutne pogon i povratne staze trebaju se držati zajedno kako bi se minimizirali područja petlje (korisna je korištenje uvijenih parova za žice zvučnika). Drugo mjesto koje se treba usredotočiti je na velike prolazne naboje koji se događaju tijekom prebacivanja kaputičara vrata tranzistora izlazne faze. Općenito, ovaj naboj dolazi od arezervoarKapacitet, formirajući trenutnu petlju koja sadrži obje kapacitete. Utjecaj EMI prolaznih u ovoj petlji može se umanjiti minimiziranjem područja petlje, što znači što je rezervoar stavljajući što je moguće bliže tranzistorima (a) koji naplaćuje.

Ponekad je korisno umetnuti RF prigušivanje u seriji s napajanjem za pojačalo. Pravilno postavljene, oni mogu ograničiti visokofrekventne prolazne struje na lokalne petlje u blizini pojačala, umjesto da se provode na velike udaljenosti niz žice napajanja.

Ako je vrijeme bez prevrtanja kapije vrlo dugačak, induktivne struje iz filtra zvučnika ili LC mogu prema naprijed pristranosti parazitske diode na terminalima tranzistora izlazne faze. Kad se vrijeme ne prekriva, pristranost diode mijenja se iz obrnutog prema naprijed. Veliki strujački šiljci obrnutog povratka mogu teći prije nego što se dioda potpuno isključi, stvarajući problematični izvor EMI. Ovaj se problem može umanjiti tako što je vrijeme neovlaštenog odvijanja vrlo kratko (također preporučeno da se umanji izobličenje zvuka). Ako je ponašanje obrnutog oporavka još uvijek neprihvatljivo, Schottky diode mogu se usporediti s tranzistorskim parazitskim diodama, kako bi se preusmjerile struje i spriječile parazitsku diodu da se ikada uključi. To pomaže jer su metal-semiconduktorski spoj Schottkyja dioda intrinzično imun na efekte obrnutog oporavka.

LC filtri s jezgrama toroidnih induktora mogu minimizirati linije zalutalih polja koje proizlaze iz struja pojačala. Zračenje iz jeftinijegbubanjJezgre se mogu smanjiti zaštitom, dobar kompromis između troškova i EMI performansi-ako se osigura da zaštita ne neprihvatljivo ne degradira linearnost induktora i kvalitetu zvuka na zvučniku.

LC filter dizajn

Da biste uštedjeli na troškovima i prostoru na odboru, većina LC filtera za pojačala klase D su dizajni drugog reda. Slika 3 prikazuje diferencijalnu verziju LC filtra drugog reda. Govornik služi za vlažnu inherentnu rezonancu kruga. Iako se impedancija zvučnika ponekad aproksimira kao jednostavan otpor, stvarna impedancija je složenija i može uključivati ​​značajne reaktivne komponente. Za najbolje rezultate u dizajnu filtra, uvijek treba nastojati koristiti točan model zvučnika.

Uobičajeni izbor dizajna filtra je usmjeriti na najnižu širinu pojasa za kojusrušitiU reakciji filtra na najvišoj audio frekvenciji od interesa je minimizirana. Tipični filter ima 40- khz Butterworth odgovor (za postizanje maksimalno ravnog propusnog opsega), ako je za frekvencije do 20 kHz. Nominalne vrijednosti komponente u tablici daju približni Butterworth odgovor za uobičajene impedancije zvučnika i standardne L i C vrijednosti:

Ako dizajn ne uključuje povratne informacije od zvučnika, THD na zvučniku bit će osjetljiv na linearnost komponenti LC filtra.

Čimbenici dizajna induktora:Važni čimbenici u dizajniranju ili odabiru induktora uključuju trenutnu ocjenu i oblik jezgre i otpor namota.

Struja: Jezgra koja je odabrana trebala bi imati strujnu ocjenu iznad najviše očekivane struje pojačala. Razlog je taj što će se mnoge jezgre induktora magnetski zasititi ako struja premaši prag ocjene struje i gustoća protoka postaje previsoka refaltiranja neželjenog drastičnog smanjenja induktivnosti.

Induktivnost se formira omotavanjem žice oko jezgre. Ako ima mnogo zavoja, otpor povezan s ukupnom duljinom žice je značajan. Budući da je ovaj otpor u seriji između polu-mosta i zvučnika, u njemu će se raspršiti neka izlazna snaga. Ako je otpor previsok, upotrijebite deblju žicu ili promijenite jezgru u drugi materijal koji zahtijeva manje okretaja žice kako bi se dobila željena induktivnost.

Konačno, ne treba zaboraviti da oblik korištenog induktora može utjecati na EMI, kao što je gore spomenuto.

Trošak sustava

Koji su važni čimbenici u ukupnom trošku audio sustava koji koristi pojačala klase D? Kako možemo minimizirati troškove?

AaktivanKomponente pojačala klase D su preklopni izlazni stupanj i modulator. Ovaj se krug može izgraditi za otprilike isti trošak kao i analogno linearno pojačalo. Pravi kompromis događaju se prilikom razmatranja drugih komponenti sustava.

Niže rasipanje klase D štedi trošak (i ​​prostor) rashladnih uređaja poput hladnjaka ili ventilatora. Pojačalo za integrirani krug klase D može se moći koristiti manji i jeftiniji paket nego što je to moguće za linearni. Kada se pokrenu iz digitalnog audio izvora, analogna linearna pojačala zahtijevaju D\/A pretvarači (DAC) da bi zvuk pretvorio u analogni oblik. To vrijedi i za pojačala A analogno-input klase D, ali tipove digitalnog ulaza učinkovito integriraju DAC funkciju.

S druge strane, glavni troškovi troškova nedostatka klase D je LC filter. Komponente-posebno prostor za induktori-okupiranje i dodaju troškove. U pojačalima velike snage, ukupni trošak sustava je i dalje konkurentan, jer je trošak LC filtra nadoknađen velikim uštedama u aparatu za hlađenje. Ali u aplikacijama osjetljivim na troškove, trošak induktora postaje naporan. U ekstremnim slučajevima, poput jeftinih pojačala za mobitele, pojačalo IC može biti jeftiniji od ukupnog troška LC filtra. Također, čak i ako se zanemaruje novčane troškove, prostor odbora koji zauzima LC filter može biti problem u malim aplikacijama za faktor obrasca.

Da bi se riješili tim problemima, LC filter se ponekad u potpunosti eliminira, kako bi stvorio abez filtrapojačalo. To štedi trošak i prostor, iako gubitak koristi od filtriranja s niskim prolazom. Bez filtra, EMI i visokofrekventno rasipanje snage može se povećati neprihvatljivo bez da je zvučnik induktivan i drži se vrlo blizu pojačalu, područja struje minimalne, a razine snage se drže niske. Iako je često moguće u prijenosnim aplikacijama poput mobitela, to nije izvedivo za sustave veće snage kao što su kućni stereo uređaji.

Drugi je pristup minimiziranju broja potrebnih komponenti LC filtra po audio kanalu. To se može postići korištenjem jednokratnih izlaznih stupnjeva polu-mosta, za koje je potrebno polovinu broja LS i CS-a potrebnih za diferencijalne krugove punog mosta. Ali ako polu-most zahtijeva bipolarne napajanja, trošak povezan s generiranjem negativne opskrbe može biti zabranjen, osim ako negativna opskrba već nije prisutna u neku drugu svrhu-ili pojačalo ima dovoljno audio kanala, a amortizaciju troškova negativne opskrbe. Alternativno, polu-most bi se mogao napajati iz jedne napajanja, ali to smanjuje izlaznu snagu i često zahtijeva veliki kondenzator blokiranja DC-a.

Analogni uređaji pojačala klase D

Svi dizajnerski izazovi koji se upravo raspravljaju mogu dodati prilično zahtjevan projekt. Kako bi uštedjeli vrijeme za dizajnera, Analog Devices nudi razne pojačalo pojačalo klase D, koji uključuju programirajuća pojačala, modulatori i faze izlaza snage. Da bi se pojednostavila evaluacija, za svaku vrstu pojačala dostupne su demonstracijske ploče kako bi se pojednostavila evaluacija. Izgled PCB-a i račun za račun za svaku od ovih odbora služe kao izvediv referentni dizajn, pomažući kupcima da brzo dizajniraju radne, ekonomične audio sustave bez potrebe za "izumljenjem kotača" kako bi riješili glavne izazove dizajna pojačala klase D.

Razmotrite, na primjer, AD1990, AD1992 i AD 1994- Obitelj IC-a s dvostrukim amplifikatorom, ciljane na stereo aplikacije umjerene snage ili Mono koje zahtijevaju dva kanala s izlaznim per-kanalom do 5-, {8} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i} i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ne Evo nekoliko svojstava ovih ICS -a:

Audio pojačalo AD1994 Class D kombinira dva programirajuća pojačala, dva sigma-delta modulatora i dvije faze napajanja za pokretanje punih opterećenja vezanih za H-mosta u aplikacijama za kućno kino, automobilske i PC audio aplikacije. On stvara prebacivanje valnih oblika koji mogu pokretati stereo zvučnike do 25 W po zvučniku, ili jedan zvučnik na 50 W monofonic, s 90% učinkovitošću. Njegovi jednokratni ulazi primjenjuju se na programiralo pojačalo (PGA) s dobicima smještenim na 0-, {6-, 12- i 18 dB, za rukovanje signalima niske razine.

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, koristeći analogne povratne informacije kontinuiranog vremena iz prebacivanja izlaznog stupnja i optimiziranog pogona vrata izlaznog stupnja. Njegov 1- bitni sigma-delta modulator posebno je poboljšan za aplikaciju klase D kako bi se postigla prosječna frekvencija podataka od 500 kHz, s visokim dobivanjem petlje na 90% modulacije i stabilnošću pune modulacije. AsamostalanNačin modulatora omogućava mu pokretanje vanjskih FET -a za veću izlaznu snagu.

Koristi {{{0}} V opskrbu za PGA, modulator i digitalnu logiku i visokonaponsku opskrbu od 8 V do 20 V za prebacivanje izlaznog stupnja. Pridruženi referentni dizajn ispunjava zahtjeve FCC klase B EMI. Kada se vozi 6 ohm učitava s 5- v i {12- v, Ad1994 se raspršuje 487 mW jw, 710 mW na 2 × 1-} W izlaznu razinu i 0,27 mw uisključivanjeNačin. Dostupno u 64- olovom LFCSP paketu, navedeno je od –40 stupnjeva do +85 stupnja

Više tehničkih informacija o pojačavačima klase D, uključujući implementacije s procesorima Blackfina, mogu se naći u daljnjem odjeljku za čitanje.