Amplificatoare audio de clasa D: Ce, de ce și cum

Amplificatoarele din clasa D, propuse pentru prima dată în 1958, au devenit din ce în ce mai populare în ultimii ani. Ce sunt amplificatoarele de clasă D? Cum se compară cu alte tipuri de amplificatoare? De ce este clasa D de interes pentru audio? Ce este necesar pentru a face un amplificator „bun” audio D? Care sunt caracteristicile produselor ADI Class D amplificator? Găsiți răspunsurile la toate aceste întrebări în paginile următoare.

Fundal amplificator audio

Scopul amplificatoarelor audio este de a reproduce semnale audio de intrare la elemente de ieșire producătoare de sunet, cu volumul dorit și nivelul de putere, în mod credincios, eficient și cu o distorsiune scăzută. Frecvențele audio variază de la aproximativ 20 Hz la 20 kHz, astfel încât amplificatorul trebuie să aibă un răspuns bun la frecvență în acest interval (mai puțin atunci când conduceți un difuzor limitat de bandă, cum ar fi unwoofersau aTweeter) Capacitățile de putere variază mult în funcție de aplicație, de la Milliwatts în căști, la câțiva wați în audio TV sau PC, la zeci de wați pentru stereos „mini” acasă și audio auto, până la sute de wați și dincolo pentru sisteme de sunet mai puternice și de sunet comerciale și pentru a umple teatre sau auditori cu sunet.

O implementare analogică simplă a unui amplificator audio folosește tranzistoare în modul liniar pentru a crea o tensiune de ieșire care este o copie scalată a tensiunii de intrare. Câștigul de tensiune înainte este de obicei mare (cel puțin 40 dB). Dacă câștigul înainte face parte dintr -o buclă de feedback, în generalcâștig de buclăva fi, de asemenea, ridicat. Feedback-ul este adesea utilizat, deoarece câștigul cu buclă mare îmbunătățește distorsionarea suprimării performanței cauzate de neliniarități pe calea înainte și reducerea zgomotului sursei de energie prin creșterea respingerii de alimentare (PSR).

Avantajul amplificatorului de clasă D

Într -un amplificator de tranzistor convențional,Etapa de ieșireConține tranzistoare care furnizează curentul de ieșire continuu instantaneu. Multe implementări posibile pentru sistemele audio includ clasele A, AB și B. Comparativ cuClasa D.proiecte, disiparea puterii în stadiul de ieșire este mare chiar și în cele mai eficienteliniaretape de ieșire. Această diferență oferă clasei D avantaje semnificative în multe aplicații, deoarece disiparea mai mică a puterii produce mai puțină căldură, economisește spațiul și costul plăcii de circuit și extinde durata de viață a bateriei în sistemele portabile.

Amplificatoare liniare, amplificatoare de clasă D și disipare a puterii

Etapele de ieșire a amplificatorului liniar sunt conectate direct la difuzor (în unele cazuri prin intermediul condensatoarelor). Dacă tranzistoarele de joncțiune bipolară (BJTS) sunt utilizate în etapa de ieșire, acestea funcționează în general în modul liniar, cu tensiuni mari de colecție-emițător. Etapa de ieșire ar putea fi implementată și cu tranzistoare MOS, așa cum se arată în figura 1.

Figura 1. Etapa de ieșire liniară CMOS.

Puterea este disipată în toate etapele de ieșire liniare, deoarece procesul de generareV_Afară provoacă inevitabil zeroI_DS şiV_DS în cel puțin un tranzistor de ieșire. Cantitatea de disipare a puterii depinde puternic de metoda utilizată pentru a prejudicia tranzistoarele de ieșire.

Clasa A.Topologia folosește unul dintre tranzistoare ca sursă de curent continuu, capabilă să furnizeze curentul audio maxim cerut de difuzor. O calitate bună a sunetului este posibilă cu etapa de ieșire din clasa A, dar disiparea puterii este excesivă, deoarece un curent mare de prejudecată a curentului continuu curge de obicei în stadiul de ieșiretranzistoare(unde nu vrem), fără a fi livrat lavorbitor(unde o dorim).

Clasa B.Topologie elimină curentul de prejudecată DC și disipează semnificativ mai puțină putere. Tranzistoarele sale de ieșire sunt controlate individual într-un mod push-pull, permițând dispozitivului MH să furnizeze curenți pozitivi difuzorului și ML să scufunde curenții negativi. Aceasta reduce disiparea puterii etapei de ieșire, cu doar curent de semnal efectuat prin tranzistoare. Circuitul de clasă B are totuși o calitate inferioară a sunetului, datorită comportamentului neliniar (distorsiune crossover) Când curentul de ieșire trece prin zero și tranzistoarele se schimbă între condițiile de pornire și oprire.

Clasa AB, un compromis hibrid al claselor A și B, folosește un curent de prejudecată a curentului continuu, dar cu mult mai puțin decât un design de clasă pură. Curentul mic de prejudecată cu curent continuu este suficient pentru a preveni denaturarea încrucișată, permițând o calitate bună a sunetului. Disiparea puterii, deși între limitele clasei A și clasa B, este de obicei mai aproape de clasa B. Un anumit control, similar cu cel al circuitului clasei B, este necesar pentru a permite circuitului AB din clasa AB să furnizeze sau să scufunde curenți de ieșire mari.

Din păcate, chiar și un amplificator AB de clasă bine proiectat are o disipare semnificativă a puterii, deoarece tensiunile sale de ieșire medie sunt, în general, departe de șinele de alimentare pozitive sau negative. Picăturile mari de tensiune sursă de scurgere produc astfel semnificativeI_DS × V_DSdisiparea instantanee a puterii.

Datorită unei topologii diferite (figura 2),Clasa D.Amplificatorul disipează mult mai puțină putere decât oricare dintre cele de mai sus. Etapa de ieșire se comută între sursele de alimentare pozitive și negative, astfel încât să producă un tren de impulsuri de tensiune. Această formă de undă este benignă pentru disiparea puterii, deoarece tranzistoarele de ieșire au curent zero atunci când nu comută și au scăzutV_DS Când conduc curent, dând astfel mai miciI_DS × V_DS.

Figura 2. Clasa D Diagrama blocului de amplificator deschis cu buclă deschisă.

Deoarece majoritatea semnalelor audio nu sunt trenuri cu impulsuri, trebuie inclus un modulator pentru a converti intrarea audio în impulsuri. Conținutul de frecvență al impulsurilor include atât semnalul audio dorit, cât și energia semnificativă de înaltă frecvență legată de procesul de modulare. Un filtru cu trecere scăzută este adesea introdus între etapa de ieșire și difuzor pentru a minimiza interferența electromagnetică (EMI) și pentru a evita conducerea difuzorului cu o energie de frecvență prea mare. Filtrul (figura 3) trebuie să fie fără pierderi (sau aproape așa) pentru a păstra avantajul de disipare a puterii etapei de ieșire de comutare. Filtrul folosește în mod normal condensatoare și inductori, singurul element intenționat disipativ este vorbitorul.

Figura 3..

Figura 4 compară disiparea puterii în stadiul de ieșire ideal (P_Dis) pentru amplificatoarele de clasa A și clasa B cu disipare măsurată pentru amplificatorul de clasa D AD1994, trasat împotriva puterii livrate președintelui (P_ÎNCĂRCA), având în vedere un semnal de undă sinusoidală cu frecvență audio. Numerele de putere sunt normalizate la nivelul puterii,P_ÎNCĂRCAMax, la care sinusul este suficient de tăiat pentru a provoca o distorsiune armonică totală de 10% (THD). Linia verticală indicăP_ÎNCĂRCAla care începe clipirea.

Figura 4. Disiparea puterii în etapele de ieșire din clasa A, clasa B și clasa D.

Diferențe semnificative în disiparea puterii sunt vizibile pentru o gamă largă de încărcături, în special la valori mari și moderate. La debutul tăierii, disiparea în etapa de ieșire a clasei D este de aproximativ 2,5 ori mai mică decât clasa B și de 27 de ori mai mică decât clasa A. Rețineți că se consumă mai multă putere în stadiul de ieșire din clasa A decât este livrat vorbitorului-o consecință a utilizării curentului mare de prejudecată a curentului continuu.

Eficiența energiei în stadiu de ieșire,Ef, este definit ca

La debutul clipirii,Ef= 25% pentru amplificatorul clasei A, 78,5% pentru amplificatorul clasei B și 90% pentru amplificatorul de clasă D (a se vedea figura 5). Aceste valori cele mai bune cazuri pentru clasa A și clasa B sunt cele adesea citate în manuale.

Figura 5. Eficiența energiei electrice a etapelor de ieșire din clasa A, clasa B și clasa D.

Diferențele de disipare a puterii și eficiență se lărgesc la niveluri moderate de putere. Acest lucru este important pentru audio, deoarece nivelurile medii pe termen lung pentru muzică tare sunt mult mai mici (după factori de cinci până la 20, în funcție de tipul de muzică) decât nivelurile de vârf instantanee, care se apropieP_ÎNCĂRCAMax. Astfel, pentru amplificatoare audio, [P_ÎNCĂRCA = 0.1 × P_ÎNCĂRCAMax] este un nivel rezonabil de putere la care să evaluezeP_Dis. La acest nivel, disiparea în stadiul de ieșire a clasei D este de nouă ori mai mică decât clasa B și de 107 ori mai mică decât clasa A.

Pentru un amplificator audio cu 10- wP_ÎNCĂRCAMax, o medieP_ÎNCĂRCAde 1 W poate fi considerat un nivel de ascultare realist. În această condiție, 282 MW este disipat în etapa de ieșire a clasei D, față de 2,53 W pentru clasa B și30.2 WPentru clasa A. În acest caz, eficiența clasei D este redusă la 78%-de la 90% la o putere mai mare. Dar chiar și 78% este mult mai bun decât clasa B și eficiența clasei A -28% și, respectiv, 3%.

Aceste diferențe au consecințe importante pentru proiectarea sistemului. Pentru nivelurile de putere peste 1 W, disiparea excesivă a etapelor de ieșire liniare necesită măsuri de răcire semnificative pentru a evita încălzirea inacceptabilă tipic, folosind plăci mari de metal ca chiuvete de căldură sau ventilatoare pentru a sufla aerul peste amplificator. Dacă amplificatorul este implementat ca un circuit integrat, poate fi necesar un pachet voluminos și costisitor îmbunătățit termic pentru a facilita transferul de căldură. Aceste considerente sunt oneroase în produsele de consum, cum ar fi televizoarele cu ecran plat, unde spațiul se află la un audio premium-sau auto, unde tendința este spre înghesuirea numărării de canale superioare într-un spațiu fix.

Pentru niveluri de putere sub 1 W, puterea irosită poate fi mai mult o dificultate decât generarea de căldură. Dacă ar fi alimentat de la o baterie, o etapă de ieșire liniară ar scurge încărcarea bateriei mai repede decât un design de clasă D. În exemplul de mai sus, etapa de ieșire din clasa D consumă de 2,8 ori mai puțin de aprovizionare cu curentul B și de 23,6 ori mai puțin decât rezultatele clasei A într-o mare diferență în viața bateriilor utilizate în produse precum telefoanele mobile, PDAS și playere MP3.

Pentru simplitate, analiza de până acum s -a concentrat exclusiv pe amplificatorieșireetape. Cu toate acestea, atunci când sunt luate în considerare toate sursele de disipare a puterii din sistemul amplificatorului, amplificatoarele liniare pot compara mai favorabil cu amplificatoarele de clasa D la niveluri scăzute de putere de ieșire. Motivul este că puterea necesară pentru a genera și modula forma de undă de comutare poate fi semnificativă la niveluri scăzute. Astfel, disiparea liniștită la nivelul întregului sistem a amplificatoarelor AB AB de la puterea scăzută, cu putere redusă, poate să le facă competitive cu amplificatoarele de clasă D. Cu toate acestea, disiparea puterii de clasă D este, fără îndoială, superioară pentru intervalele de putere de ieșire mai mari.

Terminologia amplificatorului de clasă D și versiuni diferențiale vs.

Figura 3 prezintă o implementare diferențială a tranzistoarelor de ieșire și a filtrului LC într -un amplificator de clasă D. AcestH-Bridgeare douăjumătate de pondereCircuite de comutare care furnizează impulsuri de polaritate opusă filtrului, care cuprinde doi inductori, doi condensatori și vorbitorul. Fiecare jumătate de pondere conține două tranzistoare de ieșire-un tranzistor de mare parte (MH) conectat la sursa de alimentare pozitivă și un tranzistor cu partea mică (ML) conectat la alimentarea negativă. Diagramele de aici arată partea marepMOS TRANSISTORI. ÎnaltănTranzistoarele MOS sunt adesea utilizate pentru a reduce dimensiunea și capacitatea, dar sunt necesare tehnici speciale de acționare a porții pentru a le controla (citirea ulterioară 1).

Circuitele complete H-Bridge rulează în general dintr-o singură aprovizionare (V_DD), cu teren utilizat pentru terminalul de alimentare negativ (V_SS) Pentru un v dat_DDși v_SS, Natura diferențială a podului înseamnă că poate livra de două ori semnalul de ieșire și de patru ori mai mare decât puterea de ieșire a implementărilor unice. Circuitele cu jumătate de pod pot fi alimentate de la surse de alimentare bipolare sau o singură alimentare, dar versiunea cu o singură aprovizionare impune o tensiune de prejudecată cu curent continuu, V_DD\/2, în cadrul difuzorului, cu excepția cazului în care se adaugă un condensator de blocare.

Autobuzele de tensiune de alimentare a circuitelor cu jumătate de pondere pot fi „pompate” dincolo de valorile lor nominale de către curenți mari de inductor de la filtrul LC. DV\/DT al tranzitorului de pompare poate fi limitat prin adăugarea de condensatoare mari de decuplare între v_DDși v_SS. Circuitele cu punte completă nu suferă de pomparea autobuzului, deoarece curentul inductor care curge într-una dintre jumătățile de punți curge din cealaltă, creând o buclă de curent local care deranjează minim sursele de alimentare.

Factori în designul amplificatorului clasa D audio

Disiparea puterii mai mici oferă o motivație puternică de a utiliza clasa D pentru aplicații audio, dar există provocări importante pentru proiectant. Acestea includ:

Alegerea dimensiunii tranzistorului de ieșire

Protecție în stadiu de ieșire

Calitatea sunetului

Tehnica de modulare

EMI

Proiectare filtru LC

Costul sistemului

Alegerea dimensiunii tranzistorului de ieșire

Mărimea tranzistorului de ieșire este aleasă pentru a optimiza disiparea puterii pe o gamă largă de condiții de semnal. Asigurându -se căV_DSrămâne mic atunci când conduceți mariI_DS Necesită rezistența pe (R_PE) din tranzistoarele de ieșire să fie mici (de obicei {{0}}. 1 ohm la 0,2 ohm). Dar acest lucru necesită tranzistoare mari cu capacitate semnificativă de poartă (C_G) Circuitul de drive de poartă care comută capacitatea consumă putereCV²f, undeC este capacitatea,V este schimbarea tensiunii în timpul încărcării șif este frecvența de comutare. Această „pierdere de comutare” devine excesivă dacă capacitatea sau frecvența este prea mare, astfel încât există limite superioare practice. Alegerea dimensiunii tranzistorului este, prin urmare, o compensare între minimizareaI_DS × V_DS pierderi în timpul conducerii vs. minimizareacomutarepierderi. Pierderile conductoare vor domina disiparea puterii și eficiența la niveluri ridicate de putere de ieșire, în timp ce disiparea este dominată de trecerea pierderilor la niveluri scăzute de ieșire. Producătorii de tranzistori de putere încearcă să minimizezeR_PE × C_G Produsul dispozitivelor lor pentru a reduce disiparea generală a puterii în aplicațiile de comutare și pentru a oferi flexibilitate în alegerea frecvenței de comutare.

Protejarea etapei de ieșire

Etapa de ieșire trebuie protejată de o serie de condiții potențial periculoase:

Supraîncălzire: Disiparea puterii în stadiul de ieșire a clasei D, deși mai mică decât cea a amplificatoarelor liniare, poate atinge în continuare niveluri care pun în pericol tranzistoarele de ieșire dacă amplificatorul este obligat să ofere o putere foarte mare pentru o lungă perioadă de timp. Pentru a proteja împotriva supraîncălzirii periculoase, este nevoie de circuite de control monitorizate la temperatură. În scheme simple de protecție, etapa de ieșire este oprită atunci când temperatura sa, măsurată de un senzor pe cip, depășește unTranspune termicPrag de siguranță și este păstrat până când se răcește. Senzorul poate furniza informații suplimentare despre temperatură, în afară de simpla indicație binară cu privire la faptul dacă temperatura a depășit pragul de închidere. Prin măsurarea temperaturii, circuitele de control pot reduce treptat nivelul volumului, reducând disiparea puterii și păstrând temperatura bine în limitele de a forța perioadele perceptibile de reculegere în timpul evenimentelor de închidere termică.

Flux de curent excesiv în tranzistoarele de ieșire: The LowpeRezistența tranzistoarelor de ieșire nu este o problemă dacă etapa de ieșire și terminalele difuzoarelor sunt conectate corespunzător, dar pot rezulta curenți enormi dacă aceste noduri sunt din neatenție scurte de scurtcircuitate unul față de celălalt sau la sursele de alimentare pozitive sau negative. Dacă sunt necontrolate, astfel de curenți pot deteriora tranzistoarele sau circuitele din jur. În consecință, este nevoie de circuite de protecție a tranzistorului de ieșire cu curent de sensibilitate. În scheme simple de protecție, etapa de ieșire este oprită dacă curenții de ieșire depășesc un prag de siguranță. În scheme mai sofisticate, ieșirea cu curent de senzor este readusă în căutarea amplificatorului pentru a limita curentul de ieșire la un nivel maxim de siguranță, permițând în același timp amplificatorului să funcționeze continuu fără a se opri. În aceste scheme, oprirea poate fi forțată ca ultimă soluție dacă încercarea de limitare se dovedește ineficientă. Limitatorii de curent efectiv pot menține, de asemenea, amplificatorul care funcționează în siguranță în prezența unor curenți tranzitori mari momentan, din cauza rezonanțelor difuzoarelor.

Subvenție: Majoritatea circuitelor de etapă de ieșire de comutare funcționează bine numai dacă tensiunile de alimentare pozitivă sunt suficient de mari. Problemele rezultate dacă există unsubvențiecondiție, unde livrările sunt prea mici. Această problemă este gestionată în mod obișnuit de unLocalizare subvenționalăCircuit, care permite ca etapele de ieșire să funcționeze numai dacă tensiunile de alimentare sunt peste un prag de blocare sub tensiune.

Timp de pornire a tranzistorului de ieșire: Tranzistoarele de etapă de ieșire MH și ML (figura 6) au foarte scăzuteperezistenţă. Prin urmare, este important să se evite situațiile în care atât MH cât și ML sunt simultan, deoarece acest lucru ar crea o cale de rezistență redusă de la V_DDla v_SSprin tranzistoare și un mareTragereaactual. În cel mai bun caz, tranzistoarele se vor încălzi și vor deșeuri puterea; În cel mai rău caz, tranzistoarele pot fi deteriorate.Pauză înainte de a faceControlul tranzistorilor împiedică starea de tragere prin forțarea ambelor tranzistoare înainte de a porni unul. Sunt apelate intervalele de timp în care ambele tranzistoare sunt apelatetimp care nu se suprapunsautimp mort.

Figura 6. BURN-PENTRU MAI MULTE-FĂRĂRI DE TRANSISTORI DE STAGE DE OUTATE.

Calitatea sunetului

Mai multe probleme trebuie abordate pentru a obține o bună calitate generală a sunetului în amplificatoarele din clasa D.

Clicuri și pop -uri, care apar atunci când amplificatorul este pornit sau oprit poate fi foarte enervant. Din păcate, însă, sunt ușor de introdus într-un amplificator de clasă D, cu excepția cazului în care se acordă o atenție atentă stării modulatorului, sincronizării în stadiul de ieșire și starea filtrului LC atunci când amplificatorul este dezactivat sau nemodat.

Raport semnal-zgomot (SNR):Pentru a evita șuierile audibile de la podeaua de zgomot a amplificatorului, SNR ar trebui să depășească de obicei 90 dB în amplificatoare cu putere mică pentru aplicații portabile, 100 dB pentru proiecte de putere medie și 110 dB pentru proiecte de mare putere. Acest lucru este realizabil pentru o mare varietate de implementări de amplificatori, dar sursele individuale de zgomot trebuie urmărite în timpul proiectării amplificatorului pentru a asigura un SNR general satisfăcător.

Mecanisme de distorsiune:Acestea includ neliniaritățile în tehnica de modulare sau implementarea modulatorului și timpul mort utilizat în etapa de ieșire pentru a rezolva problema curentă de tragere.

Informații despre nivelul semnalului audio sunt codificate în general în lățimile impulsurilor de ieșire a modulatorului de clasă D. Adăugarea timpului mort pentru a preveni curenții de tragere în stadiul de ieșire introduce o eroare de sincronizare neliniară, ceea ce creează distorsiune la vorbitor proporțional cu eroarea de sincronizare în raport cu lățimea ideală a pulsului. Cel mai scurt timp mort care evită împușcarea este adesea cel mai bun pentru minimizarea distorsiunii; Consultați citirea ulterioară 2 pentru o metodă de proiectare detaliată pentru a optimiza performanța distorsionării etapelor de ieșire de comutare.

Alte surse de distorsiune includ: nepotrivirea timpilor de creștere și cădere în impulsurile de ieșire, nepotrivirea caracteristicilor de sincronizare pentru circuitele de drive de poartă a tranzistorului de ieșire și neliniaritățile în componentele filtrului LC cu trecere mică.

Respingerea puterii (PSR):În circuitul din figura 2, zgomotul de alimentare cu putere se cuplă aproape direct la difuzor cu foarte puțină respingere. Acest lucru se întâmplă deoarece tranzistoarele în stadiul de ieșire conectează sursele de alimentare la filtrul cu trecere mică printr-o rezistență foarte mică. Filtrul respinge zgomotul de înaltă frecvență, dar este conceput pentru a trece toate frecvențele audio, inclusiv zgomotul. A se vedea citirea ulterioară 3 pentru o bună descriere a efectului zgomotului de alimentare cu putere în circuitele de ieșire în stadiu de ieșire.

Dacă nu sunt abordate nici o distorsiune și nici problemele de aprovizionare cu putere, este dificil să se realizeze PSR mai bine decât 1 0 db, sau distorsiunea armonică totală (THD) mai bună de 0,1%. Și mai rău, THD tinde să fie un tip de înaltă ordine.

Din fericire, există soluții bune la aceste probleme. Utilizarea feedback -ului cu un câștig cu buclă mare (așa cum se face în multe modele de amplificatori liniari) ajută foarte mult. Feedback-ul de la intrarea filtrului LC va îmbunătăți mult PSR și va atenua toate mecanismele de distorsiune non-LC-filtru. Neliniaritățile filtrului LC pot fi atenuate prin includerea difuzorului în bucla de feedback. Calitatea sunetului de calitate audiofilă cu PSR> 6 0 DB și THD <0,01% sunt atinse în amplificatoare de clasă D cu buclă închisă bine proiectată.

Cu toate acestea, feedback-ul complică designul amplificatorului, deoarece stabilitatea buclei trebuie să fie abordată (o considerație nontrivială pentru proiectarea de înaltă ordine). De asemenea, feedback-ul analogic în timp continuu este necesar pentru a capta informații importante despre erorile de sincronizare a pulsului, astfel încât bucla de control trebuie să includă circuite analogice pentru a prelucra semnalul de feedback. În implementările amplificatorului cu circuit integrat, acest lucru se poate adăuga la costul matriței.

Pentru a minimiza costurile IC, unii furnizori preferă să minimizeze sau să elimine conținutul circuitului analogic. Unele produse folosesc un modulator digital cu buclă deschisă, plus un convertor analog-digital pentru a sesiza variațiile de aprovizionare a puterii și ajustați comportamentul modulatorului pentru a compensa, așa cum este propus în citirea ulterioară 3. Acest lucru poate îmbunătăți PSR, dar nu va aborda niciuna dintre problemele de distorsiune. Alți modulatori digitali încearcă să precompensăm erorile de sincronizare a etapei de ieșire preconizate sau corecte pentru nonidealitățile modulatorului. Acest lucru poate aborda cel puțin parțial unele mecanisme de distorsiune, dar nu toate. Aplicațiile care tolerează cerințele de calitate sonoră destul de relaxată pot fi gestionate de aceste tipuri de amplificatoare de clasă D cu buclă deschisă, dar o formă de feedback pare necesară pentru cea mai bună calitate audio.

Tehnica de modulare

Modulatoarele de clasă D pot fi implementate în mai multe moduri, susținute de o cantitate mare de cercetare conexă și proprietate intelectuală. Acest articol va introduce doar concepte fundamentale.

Toate tehnicile de modulare a clasei D codifică informații despre semnalul audio într -un flux de impulsuri. În general, pulsullățimisunt legate de amplitudinea semnalului audio, iar spectrul impulsurilor include semnalul audio dorit, plus conținutul nedorit (dar inevitabil) de înaltă frecvență. Puterea totală integrată de înaltă frecvență în toate schemele este aproximativ aceeași, deoarece puterea totală în formele de undă a domeniului de timp este similară, iar prin teorema lui Parseval, puterea în domeniul timpului trebuie să fie egală cu puterea în domeniul frecvenței. Cu toate acestea, distribuția energiei variază mult: în unele scheme, există tonuri de energie ridicate deasupra unui podea cu zgomot scăzut, în timp ce în alte scheme, energia este modelată astfel încât tonurile să fie eliminate, dar podeaua de zgomot este mai mare.

Cea mai frecventă tehnică de modulare esteModularea lățimii pulsului(PWM). Conceptual, PWM compară semnalul audio de intrare cu o formă de undă triunghiulară sau ramping care rulează la un fixpurtătorfrecvenţă. Aceasta creează un flux de impulsuri la frecvența purtătorului. În fiecare perioadă a transportatorului, raportul de serviciu al pulsului PWM este proporțional cu amplitudinea semnalului audio. În exemplul figura 7, intrarea audio și unda triunghiulară sunt ambele centrate în jurul 0 V, astfel încât pentru 0 intrare, raportul de taxă al impulsurilor de ieșire este de 5 0%. Pentru o mare contribuție pozitivă, este aproape 100% și este aproape 0% pentru aportul negativ mare. Dacă amplitudinea audio o depășește pe cea a undei triunghiului,modulare completăapare, în cazul în care trenul puls se oprește comutarea, iar raportul de serviciu în perioade individuale este fie 0% sau 100%.

Figura 7. Conceptul și exemplul PWM.

PWM este atractiv, deoarece permite 100- dB sau mai bun SNR audio cu bandă audio la frecvențele de purtător PWM de câteva sute de kilohertz suficient pentru a limita pierderile de comutare în etapa de ieșire. De asemenea, multe modulatoare PWM sunt stabile până la aproape 100% modulare, în concept, permițând o putere mare de ieșire până la punctul de supraîncărcare. Cu toate acestea, PWM are mai multe probleme: în primul rând, procesul PWM adaugă în mod inerent distorsionarea în multe implementări (citirea ulterioară 4); În continuare, armonica frecvenței purtătoare de transport PWM produc EMI în banda radio AM; Și, în sfârșit, lățimile pulsului PWM devin foarte mici aproape de modulare completă. Acest lucru provoacă probleme în majoritatea circuitelor de driver de poartă în stadiu de ieșire, cu capacitatea lor limitată de acționare, acestea nu pot comuta corect la viteza excesivă necesară pentru a reproduce impulsuri scurte cu lățimi de câteva nanosecunde. În consecință, modularea completă este adesea de neatins în amplificatoarele bazate pe PWM, limitând puterea maximă de ieșire realizabilă la ceva mai puțin decât maximul teoretic-care are în vedere doar tensiunea de aprovizionare a energiei electrice, tranzistorperezistență și impedanță a vorbitorului.

O alternativă la PWM estemodularea densității pulsului(PDM), în care numărul de impulsuri dintr -o fereastră de timp dată este proporțional cu valoarea medie a semnalului audio de intrare. Lățimile individuale ale pulsului nu pot fi arbitrare ca în PWM, ci sunt în schimb „cuantificate” la multipli din perioada de ceas a modulatorului. 1- Bit Sigma-Delta Modulația este o formă de PDM.

O mare parte din energia de înaltă frecvență în Sigma-Delta este distribuită pe o gamă largă de frecvențe-nu concentrate în tonuri la multipli de frecvență purtătoare, ca în modularea sigma-delta care furnizează PWM, cu un potențial avantaj EMI față de PWM. Energia există încă la imaginile frecvenței ceasului de eșantionare PDM; Dar, cu frecvențe tipice de ceas de la 3 MHz la 6 MHz, imaginile sunt în afara benzii de frecvență audio și sunt puternic atenuate de filtrul LC cu trecere mică.

Un alt avantaj al Sigma-Delta este faptul că lățimea minimă a pulsului este o perioadă de eșantionare, chiar și pentru condițiile de semnal care se apropie de modularea completă. Acest lucru ușurează designul gatei-șofer și permite funcționarea în siguranță la puterea teoretică. Cu toate acestea, 1- Bit Sigma-Delta Modulația nu este adesea utilizată în amplificatoarele de clasa D (citirea ulterioară 4), deoarece modulatoarele de biți convenționale 1- sunt stabile doar pentru modularea 50%. De asemenea, este necesară cel puțin 64 × eșantionare pentru a obține suficiente SNR cu bandă audio, astfel încât ratele tipice ale datelor de ieșire sunt de cel puțin 1 MHz și eficiența energiei este limitată.

Recent,Auto-oscilareAmplificatoare au fost dezvoltate, cum ar fi cea din citirea ulterioară 5. Acest tip de amplificator include întotdeauna o buclă de feedback, cu proprietăți ale buclei care determină frecvența de comutare a modulatorului, în loc de un ceas furnizat extern. Energia de înaltă frecvență este adesea distribuită mai uniform decât în ​​PWM. Calitatea audio excelentă este posibilă, datorită feedback-ului, dar bucla este auto-oscilantă, așa că este dificil de sincronizat cu orice alte circuite de comutare sau să vă conectați la surse audio digitale fără a converti mai întâi digitalul în analog.

Circuitul cu punte completă (figura 3) poate utiliza starea „3-}” pentru a reduce EMI diferențial. Odată cu funcționarea diferențială convențională, polaritatea de ieșire a jumătății de punte, trebuie să fie opusă celei a jumătății de punte B. Există doar două stări de funcționare diferențiale: ieșirea A ridicată cu ieșire b scăzută; și un nivel scăzut cu B ridicat. Cu toate acestea, există două stări suplimentare în mod comun în care ambele ieșiri la jumătate de pod sunt aceeași polaritate (ambele mari sau ambele mici). Unul dintre acesteamodul comunStatele pot fi utilizate în combinație cu stările diferențiale pentru a produce {{0}} modularea stării în care intrarea diferențială la filtrul LC poate fi pozitivă, 0 sau negativ. Starea 0 poate fi folosită pentru a reprezenta niveluri de putere scăzute, în loc să comute între starea pozitivă și negativă ca într -o schemă de stare 2-. Activitatea diferențială foarte mică are loc în filtrul LC în timpul stării 0, reducând EMI diferențial, deși crește de fapt EMI în modul comun. Beneficiul diferențial se aplică numai la niveluri scăzute de putere, deoarece stările pozitive și negative trebuie să fie utilizate în continuare pentru a oferi o putere semnificativă vorbitorului. Nivelul de tensiune în modul comun variabil în 3- scheme de modulare de stare prezintă o provocare de proiectare pentru amplificatoarele cu buclă închisă.

Îmblânzi EMI

Componentele de înaltă frecvență ale rezultatelor amplificatorului de clasa D merită o considerație serioasă. Dacă nu sunt înțelese și gestionate în mod corespunzător, aceste componente pot genera cantități mari de EMI și pot perturba funcționarea altor echipamente.

Două tipuri de EMI sunt de îngrijorare: semnale care sunt radiate în spațiu și cele care sunt efectuate prin fire de difuzor și de alimentare cu putere. Schema de modulare a clasei D determină aBazina de bazăSpectrul componentelor EMI efectuate și radiate. Cu toate acestea, unele tehnici de proiectare la nivel de bord pot fi utilizate pentru a reduce EMI emis de un amplificator de clasă D, în ciuda spectrului său de bază.

Un principiu util este minimizarea zonei buclelor care poartă curenți de înaltă frecvență, deoarece rezistența EMI asociată este legată de zona buclei și de apropierea buclelor de alte circuite. De exemplu, întregul filtru LC (inclusiv cablarea difuzorului) ar trebui să fie pus cât mai compact posibil și păstrat aproape de amplificator. Urmele pentru căile curente de acționare și retur trebuie să fie păstrate împreună pentru a minimiza zonele de buclă (utilizarea perechilor răsucite pentru firele difuzoarelor este utilă). Un alt loc pentru a vă concentra este pe tranzacțiile mari de încărcare care apar în timp ce comutați capacitatea de poartă a tranzistoarelor în stadiul de ieșire. În general, această taxă provine de la unrezervorcapacitate, formând o buclă curentă care conține ambele capacități. Impactul EMI al tranzitorilor în această buclă poate fi diminuat prin minimizarea zonei buclei, ceea ce înseamnă plasarea capacității rezervorului cât mai aproape posibil de tranzistorul (tranzistorul) pe care îl încarcă.

Uneori este util să introduceți șociri RF în serie cu sursele de alimentare pentru amplificator. Plasate corespunzător, pot limita curenții tranzitori de înaltă frecvență la buclele locale din apropierea amplificatorului, în loc să fie efectuate pe distanțe lungi pe firele de alimentare cu energie electrică.

Dacă timpul de non-suprapunere a porții de poartă este foarte lung, curenții inductivi de la difuzorul sau filtrul LC pot da înainte diodele parazite la terminalele tranzistoarelor în stadiul de ieșire. Când timpul care nu se suprapune, prejudecata de pe diodă este schimbată de la înainte la invers. Vârfurile mari de curent de recuperare inversă pot curge înainte ca dioda să se oprească complet, creând o sursă supărătoare de EMI. Această problemă poate fi minimizată prin menținerea timpului care nu se suprapun foarte scurt (recomandat, de asemenea, pentru a reduce la minimum distorsiunea audio). Dacă comportamentul de recuperare inversă este încă inacceptabil, diodele Schottky pot fi paralele cu diodele parazite ale tranzistorului, pentru a devia curenții și a împiedica să se pornească dioda parazitară. Acest lucru ajută, deoarece joncțiunile metal-semiconductoare ale diodelor Schottky sunt intrinsec imune la efectele de recuperare inversă.

Filtrele LC cu nuclee de inductor toroidal pot minimiza liniile de câmp rătăcite rezultate din curenții amplificatori. Radiația de la mai ieftintamburNucleele pot fi reduse prin ecranare, un bun compromis între costuri și performanța EMI-dacă este îngrijită pentru a se asigura că ecranarea nu degradează inacceptabil liniaritatea inductorului și calitatea sunetului la difuzor.

Proiectare filtru LC

Pentru a economisi spațiul de costuri și bord, majoritatea filtrelor LC pentru amplificatoarele de clasa D sunt proiecte de ordinul doi, cu trecere mică. Figura 3 prezintă versiunea diferențială a unui filtru LC de ordinul doi. Difuzorul servește la umederea rezonanței inerente a circuitului. Deși impedanța vorbitorului este uneori aproximată ca o simplă rezistență, impedanța reală este mai complexă și poate include componente reactive semnificative. Pentru cele mai bune rezultate în proiectarea filtrului, ar trebui să căutați întotdeauna să utilizați un model de difuzor precis.

O alegere obișnuită de proiectare a filtrului este de a viza cea mai mică lățime de bandă pentru careatârna în josÎn răspunsul filtrului la cea mai mare frecvență audio de interes este minimizată. Un filtru tipic are 40- kHz Butterworth răspuns (pentru a obține o bandă de trecere maximă plană), dacă se dorește o scădere mai mică de 1 dB pentru frecvențe de până la 20 kHz. Valorile nominale ale componentelor din tabel oferă un răspuns aproximativ Butterworth pentru impedanțele comune ale vorbitorului și valorile standard L și C:

Dacă designul nu include feedback de la difuzor, THD la difuzor va fi sensibil la liniaritatea componentelor filtrului LC.

Factori de proiectare a inductorilor:Factorii importanți în proiectarea sau selectarea inductorului includ evaluarea și forma actuală a miezului și rezistența la înfășurare.

Rating curent: Nucleul ales ar trebui să aibă un rating curent peste cel mai mare curent de amplificator așteptat. Motivul este că multe nuclee de inductor se vor satura magnetic dacă curentul depășește pragul de evaluare curent și densitatea fluxului devine prea ridicată la reducerea drastică nedorită a inductanței.

Inductanța este formată prin înfășurarea unui fir în jurul miezului. Dacă există multe viraje, rezistența asociată cu lungimea totală a firului este semnificativă. Întrucât această rezistență este în serie între jumătatea puntei și vorbitorul, o parte din puterea de ieșire va fi disipată în ea. Dacă rezistența este prea mare, folosiți sârmă mai groasă sau schimbați miezul într -un material diferit care necesită mai puține viraje de sârmă pentru a da inductanța dorită.

În cele din urmă, nu trebuie uitat faptul că forma de inductor utilizat poate afecta EMI, așa cum s -a menționat mai sus.

Costul sistemului

Care sunt factorii importanți în costul general al unui sistem audio care utilizează amplificatoare de clasă D? Cum putem minimiza costurile?

activComponentele amplificatorului de clasă D sunt etapa de ieșire și modulator de comutare. Acest circuit poate fi construit cu aproximativ același cost ca un amplificator liniar analog. Adevăratele compromisuri apar atunci când se ia în considerare alte componente ale sistemului.

Disiparea mai mică a clasei D economisește costurile (și spațiul) aparatului de răcire, cum ar fi chiuvetele de căldură sau ventilatoarele. Un amplificator de circuit integrat din clasa D poate fi capabil să utilizeze un pachet mai mic și mai ieftin decât este posibil pentru cel liniar. Când sunt conduse de la o sursă audio digitală, amplificatoarele liniare analogice necesită convertoare d\/A (DAC) pentru a converti audio în formă analogică. Acest lucru este valabil și pentru amplificatoarele D de clasa D analogică, dar tipurile de intrare digitală integrează eficient funcția DAC.

Pe de altă parte, principalul dezavantaj al costurilor din clasa D este filtrul LC. Componentele-în special spațiul bordului inductorilor și adaugă cheltuieli. În amplificatoare de mare putere, costul general al sistemului este încă competitiv, deoarece costul filtrului LC este compensat de economii mari în aparatul de răcire. Dar, în aplicații sensibile la costuri, cu putere redusă, cheltuielile cu inductorul devine oneroasă. În cazuri extreme, cum ar fi amplificatoare ieftine pentru telefoanele mobile, un amplificator IC poate fi mai ieftin decât costul total al filtrului LC. De asemenea, chiar dacă costul monetar este ignorat, spațiul de bord ocupat de filtrul LC poate fi o problemă în aplicațiile cu factori mici.

Pentru a rezolva aceste preocupări, filtrul LC este uneori eliminat în întregime, pentru a crea unfără filtruamplificator. Acest lucru economisește costuri și spațiu, deși pierde beneficiul filtrării cu trecere mică. Fără filtrul, EMI și disiparea puterii de înaltă frecvență poate crește inacceptabil, dacă vorbitorul este inductiv și păstrat foarte aproape de amplificator, zonele cu buclă curentă sunt minime, iar nivelurile de putere sunt menținute scăzute. Deși deseori posibilă în aplicații portabile, cum ar fi telefoanele mobile, nu este posibil pentru sisteme cu putere mai mare, cum ar fi stereos-uri de acasă.

O altă abordare este de a minimiza numărul de componente de filtrare LC necesare pe canal audio. Acest lucru se poate realiza folosind etape de ieșire cu jumătate de punte, care necesită jumătate din numărul de LS și CS necesare pentru circuite diferențiale, cu punte completă. Dar, dacă jumătatea puntei necesită surse de alimentare bipolare, cheltuielile asociate cu generarea alimentării negative pot fi prohibitive, cu excepția cazului în care o aprovizionare negativă este deja prezentă pentru un alt scop-sau amplificatorul are suficiente canale audio, pentru a amortiza costurile ofertei negative. În mod alternativ, jumătatea podului ar putea fi alimentat de la o singură alimentare, dar aceasta reduce puterea de ieșire și necesită adesea un condensator mare de blocare a DC.

Analog Dispozitive Amplificatoare Clasa D

Toate provocările de proiectare tocmai discutate pot adăuga un proiect destul de solicitant. Pentru a economisi timp pentru proiectant, Analog Devices oferă o varietate de circuite integrate de amplificator de clasă D, încorporând amplificatoare de câștig programabile, modulatori și etape de ieșire a puterii. Pentru a simplifica evaluarea, plăcile demonstrative sunt disponibile pentru fiecare tip de amplificator pentru a simplifica evaluarea. Aspectul PCB și factura de materiale pentru fiecare dintre aceste plăci servesc ca un design de referință viabil, ajutând clienții să proiecteze rapid sisteme audio rentabile, fără a fi nevoie să „reinventeze roata” pentru a rezolva provocările majore ale proiectării amplificatorului de clasă D.

Luați în considerare, de exemplu, AD1990, AD1992 și AD 1994- o familie de IC-uri cu amplificatoare duală, vizate la aplicații stereo sau mono-mono-ul cu putere moderată care necesită două canale cu ieșire pe canal de până la 5-, 10- și 25-, respectiv. Iată câteva proprietăți ale acestor ICS:

Amplificatorul de putere audio AD1994 Clasa D combină două amplificatoare de câștig programabile, două modulatoare Sigma-Delta și două etape de putere electrică pentru a conduce încărcături complete legate de H-Bridge în aplicații audio de home theater-, auto și auto. Generează forme de undă de comutare care pot conduce difuzoare stereo la până la 25 W pe difuzor sau un singur difuzor la 50 W monofonic, cu eficiență de 90%. Intrările sale unice sunt aplicate unui amplificator cu câștig programabil (PGA) cu câștiguri setate la 0-, 6-, 12- și 18 dB, pentru a gestiona semnale la nivel scăzut.

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, folosind feedback analogic în timp continuu din etapa de ieșire de comutare și unitatea de pornire a etapei de ieșire optimizate. Modulatorul său 1- bit sigma-delta este îmbunătățit în special pentru aplicația de clasă D pentru a obține o frecvență medie de date de 500 kHz, cu un câștig de buclă mare la o modulație de 90% și stabilitate la modularea completă. OAutonomModul modulator îi permite să conducă FET -uri externe pentru o putere de ieșire mai mare.

Folosește o alimentare {{0}} v pentru PGA, modulator și logică digitală și o alimentare de înaltă tensiune de la 8 V la 20 V pentru etapa de ieșire de comutare. Proiectarea de referință asociată îndeplinește cerințele EMI din clasa B FCC. Când conduceți 6 ohm încărcări cu 5- v și 12- v, AD1994 disipează 487 mW Quiessensly, 710 MW la 2 × 1- W nivel de ieșire și 0,27 MW înpower-downMod. Disponibil într -un pachet 64- lider LFCSP, este specificat de la –40 grad la gradul +85

Mai multe informații tehnice despre amplificatoarele din clasa D, inclusiv implementările cu procesoarele Blackfin, pot fi găsite în secțiunea de lectură ulterioară.