Усилитель d класса схема: Усилитель класса D 100 Вт

  • Home
  • Разное
  • Усилитель d класса схема: Усилитель класса D 100 Вт

Содержание

⚡️Усилитель звука класса D 1250Вт

usilitel_klassa_d

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

shema_usilitelja_zvuka_klassa_d

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

Усилитель на любую мощность от 25 до 1250 Вт

tablica_moshhnosti

Печатная и монтажная плата усилителя звука класса D 1250Вт

pechatnaja_plata_usilitelja_moshhnosti

montazhnaja_plata_usilitelja_zvuka

Выходная мощность Рвых УМЗЧ рассчитывается по таблице

vyhodnaja_moshhnost_usilitelja_zvuka

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

formula_vyhodnoj_moshhnosti_usilitelja_zvuka

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

 

Усилитель класса D на 20 ватт

Приветствую, господа самоделкины!

Наверняка вы все не раз собирали множество разных схем усилителей, миниатюрных, маломощных, больших и громких. В большинстве случаев, если не считать совсем уж микромощные, неотъемлемой частью любой схемы был радиатор, установленный на выходных транзисторах или микросхеме. Но сейчас на дворе 2020 год, прогресс не стоит на месте, электроника совершенствуется, схемы становятся более эффективными. Так произошло и с усилителями, на смену привычным усилителям класса А (те ещё печки) и АВ приходит… Класс Д.


Особенностью усилителей этого класса является работа транзисторов в ключевом режиме, то есть либо открыт, либо закрыт. И в этом и в другом положении на переходе транзистора не рассеивается тепла (в идеальном случае), поэтому и нагрев в таких случаях практически отсутствует, а КПД доходит до 90%. Сейчас такие усилители распространены разве что в автомобильных аудиосистемах, где питание ограничено мощностью генератора автомобиля и каждый десяток ватт на счету, да и места для больших радиаторов не так много. За всё хорошее нужно платить, так и здесь, за хороший КПД расплачиваться приходится большим коэффициентом нелинейных искажений. Впрочем, не всегда и не везде он играет большое значение, а вот низкое, я бы сказал крайне низкое потребление тока бывает полезным практически всегда. Перейдём к схеме.


Её основа — микросхема MP7720, которая выпускается в корпусе для поверхностно монтажа, что уже показательно в плане нагрева. Имеет весьма широкий диапазон напряжений питания, от 9 и до 24В. Максимальная выходная мощность ограничивается на уровне 20Вт, что очень даже прилично для такой малютки. Аудио сигнал подаётся на вход через разделительный конденсатор С1, не помешается использовать плёночный. Особенное внимание хочу уделить на дроссель L1, его индуктивность 10 микрогенри. Здесь желательно использовать классический дроссель «гантельку» на ферритовом стержне, но без проблем будет работать и с дросселем в виде резистора. В остальном схема особенностей не имеет и запускается сразу после подачи питания. Из приятных плюшек, в микросхему встроена система подавления щелчков при включении и выключении питания.

На плате установлены три клеммные колодки по два контакта: два для подключения питания, два для источника аудиосигнала, ещё два для подключения динамика. Обратите внимание, что микросхема — монофонический усилитель, поэтому для второго канала необходимо собрать ещё один такой же. Плата выполняется методом ЛУТ, из smd компонентов в ней только микросхема, всё остальное в полноразмерных корпусах. Плата смотрится весьма симпатично и имеет небольшие размеры, процесс её изготовления представлен на фото ниже.


При пайке микросхемы нужно быть особенно внимательным, чтоб не замкнуть меж собой её ножки, ведь между ними совсем небольшое расстояние. После завершения пайки обязательно нужно удалить все остатки флюса, в том числе и под корпусом самой микросхемы.

При включении не стоит торопиться, поэтому первым делом включим амперметр последовательно с питанием, а ещё лучше использовать лабораторный блок питания с защитами. Выход на динамик и вход аудиосигнала остаются висеть в воздухе. Подаём питание, амперметр должен показать значение на уровне нескольких миллиампер. Если это так — подключаем динамик, его сопротивление может быть от 4 до 8 Ом, и касаемся входа металлическим предметом, из динамика должны донестись щелчки. Если всё так, то я могу вас поздравить — схема работает. Данная микросхема будет просто незаменима в носимых устройствах, работающих от аккумулятора. Удачной сборки!

plata.zip [36.52 Kb] (скачиваний: 38)
Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
Модули современных усилителей мощности D-класса — Меандр — занимательная электроника

Благодаря высокому КПД импульсная техника все более широко входит в современную жизнь. Не исключением стали и оконечные аудиоусилители мощности: на смену громоздким, сильно греющимся аналоговым усилителям А/В-класса пришли усилители D-класса. Эффективность современных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) D-класса намного выше аналоговых УМЗЧ класса АВ иногда с тем же качеством звучания. Для охлаждения выход D необходим радиатор небольшой площади. Главная особенность усилителей D-класса заключается в том, что выходные каскады работают в ключевом режиме на высокой частоте (обычно больше 200 кГц) и практически не выделяют тепловую мощность. Для этого сигнал звука кодируется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поэтому на выходе УМЗЧ класса D перед громкоговорителем нужен фильтр низких частот, подавляющий высокочастотную составляющую ШИМ-сигнала.

Цель данной статьи познакомить читателей с наиболее распространенными готовыми электронными модулями усилителей D-класса. Как правило, такие модули не комплектуются принципиальными схемами. Поэтому в статье приведены блок-схемы и типовые схемы включения используемых в этих модулях микросхем.

Модуль стереоусилителя 2хЗW D-класса на базе микросхемы РАМ8403 (фото 1)

Основные параметры стереоусилителя

Выходная мощность при напряжении питания 5 В, нагрузке 4 Ом 2×3 Вт
Напряжение питания 2,5…5,5 В
Нагрузка 4 или 8 Ом
Выходная мощность при нагрузке 8 Ом 2×1,8 Вт
Соотношение сигнал/шум 80 дБ
Коэффициент нелинейных искажений при выход­ной мощности 1 Вт, нагрузке 4 Ом, напряжении питания 5 В, не более 0,15%;
КПД до 90%;
Диапазон рабочих температур -40…+85″С
Размеры модуля 19x21x3 мм

Фото 1

Микросхема (МС) РАМ8403 — это 2×3 Вт стерео-усилитель D-класса. Низкий коэффициент нелинейных искажений позволяет получить высокое качество звучания при достаточной выходной мощности. Новая бесфильтровая архитектура микросхемы РАМ8403 с непосредственным подключением динамиков сильно упрощает обвязку и схему усилителя в целом и уменьшает его стоимость.

Для снижения электромагнитных помех желательно применение ферритовых колец на проводах подключения громкоговорителей.

Основное применение — портативная электроника с автономным питанием (акустические системы в ноутбуках, планшетах, мониторах, переносных телевизорах и т.д.).

На рис.1 показана блок-схема, а рис.2 — типовая схема включения МС типа РАМ8403.

Рис. 1

Рис. 2

Модуль стереоусилителя 2x50W D-класса на базе микросхемы TDА7492 (фото 2)

МС ТDА7492 — стереоусилитель 2×50 Вт D-класса с однополярным питанием.

Эта МС имеет достаточно сложную внутреннюю архитектуру, обеспечивающую высокоэффектив­ную защиту и значительную выходную мощность. Применение выходных фильтров обязательно.

Фото 2

Основные параметры стереоусилителя

Выходная мощность при напряжении питания 25 В, нагрузке 6 Ом 2×50 Вт
Напряжение питания при нагрузке 4 Ом 8…2Є В
Нагрузка 4…8 Ом
Выходная мощность при сопротивлении нагрузки 8 Ом 2×40 Вт
Типовая нагрузка модуля 6 Ом
Диапазон частот 20 Гц.,.20 кГц
Неравномерность АЧХ типовая, менее 2 ДБ
Фиксированные коэффициенты усиления есть
Усилитель малошумящий: типовой коэффи­циент нелинейных искажений при выходной мощности до 20 Вт, сопротивлении нагрузки 8 Ом и напряжении питании 25 В, не более 0,1%
Защита выходов от короткого замыкания есть
Защита по напряжению питания есть
Защита от перегрева есть
КПД до 90%
Выделяемая тепловая мощность при выходной мощности 2×40 Вт 8 Вт
Частота ШИМ приблизительно 300 кГц
Диапазон рабочих температур 0…+70Т
Размеры модуля 60x70x24 мм

Основное применение — высококачественные усилители (телевизоры, мониторы, магнитолы, приемники и т.д.). На рис.3 показана блок-схема одного канала микросхемы TDА7492, а на рис.4 — типовая схе­ма включения этой МС.

Рис. 3

Рис. 4

Модуль стереоусилителя 2×100W D-класса на базе ТDА7498 (фото 3)

Блок-схема и схема включения МС TDА7498 практически аналогичны соответствующим схе­мам МС TDА7492.

Фото 3

 

Особенности усилителя

Выходная мощность при напряжении питания 36 В, нагрузке 6 Ом 2×100 Вт
Напряжение питания при нагрузке 6 Ом 14…39 В
Нагрузка 6…8 Ом
Выходная мощность при типовой нагрузке 8 Ом 2×80 Вт
КПД до 90%

Стереоусилитель 2х50W D-класса на базе ТРА3116D2 (фото 4)

Особенность микросхемы ТРА3116D2 — это изменяемая частота ШИМ с целью уменьшения электромагнитных помех в АМ диапазоне. Кроме того, возможно каскадное включение этих МС с общей синхронизацией (ведущий/ведомый) частоты ШИМ.

На фото 4 показан модуль с сабвуфером (2.1-стерео 2×50 Вт и моно 100 Вт).

На рис.5 показана блок-схема микросхемы ТРА3116D2, а на рис.6 — типовая схема включения этой МС.

Фото 4

Рис. 5

Рис. 6

Основные параметры стереоусилителя на базе ТРАЗ116D2

Выходная мощность при напряжении питания 21 В и сопротивлении нагрузки 4 Ом 2×50 Вт
Напряжение питания при нагрузке 4 Ом 4,5…2б В
Нагрузка 4…8 Ом
Диапазон частот 20 ГЦ….20 кГц
Неравномерность АЧХ, менее 2 дБ
Улучшенная схема модуляторов есть
Фиксированные коэффициенты усиления есть
Типовой коэффициент нелинейных искажений при выходной мощности до 20 Вт, нагрузке 8 Ом и напряжении питания 24 В во всем диапазоне частот, не более 0,3%
Защита от короткого замыкания на выходах есть
Защита по напряжению питания есть
Защита от перегрева есть
КПД до 90%
Частота переключения ШИМ 400 кГц …1,2 МГц (выставляется)
Диапазон рабочих температур -40…+85°С



Усилитель класса D – Схема на 120 ватт — Усилители мощности низкой частоты (ламповые) — Усилители НЧ и все к ним

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

Преимущества усилителей D класса

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

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

Цифровой или все-таки импульсный?!

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

Кратко о принципе работы усилителя

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

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

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

Ключевые рекомендации

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

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

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

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

Практическая часть: схема усилителя класса D

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

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

А, B, AB, D, G, H / Хабр

Здравствуй, Хабр!


В данной статье мы рассмотрим звуковые усилители классов: А, B, AB, D, G, H
Сначала рассмотрим классы по положению рабочей точки. Каждый транзистор имеет выходную характеристику, которую можно найти в DataSheet.

Пример характеристики на рисунке ниже.


Выходная характеристика транзистора.

Именно с помощью данной характеристики мы сможем выбрать класс усилителя по положению точки покоя.

Выходная характеристика показывает какой ток нам нужно задать базе транзистора, для того чтобы получить определённый класс усилителя, также мы узнаем Iк.


Класс А


Класс А — это такой режим работы усилительного элемента, при котором входные значения, проходя через усилительный элемент не прерывается. То есть точно повторяет входной сигнал.
Усилительный элемент приоткрыт всегда и точно повторяет отрицательную и положительную волну.

Класс B


Элемент, работающий в данном классе способен усиливать только одну полуволну, положительную либо отрицательную.
Такой класс используют в двухтактных усилителях, где положительную полуволну усиливает один транзистор, а отрицательную другой.
Двухтактный усилительный каскад класса В. Но на выходе усилителя работающего в данном классе мы имеем искажение. Данное искажение называется «Ступенькой».

Для устранения данного искажения нужно перейти к классу АВ. На рисунке ниже показаны два класса усилителя В и АВ и их выходные сигналы относительно входным.


Класс D


Принцип действия данного класа. В данном режиме работы, транзистор либо открыт либо полностью заперт. Это достигается с помошью модулятора ШИМ сигнала. Именно это дает такому каскаду кпд свыше 90% (практически на любых мощностях).
Минусом данного каскада являются искажения. Они вознакают из-за способа модуляции так-как существует «мертвый» период который необходим для предотвращения сквозных утечек.
Также сильными источниками искажений являются L и C элементы в фильтре (НЧ).

Усилители класса G и H


Сначала поговорим о питании усилителей. Для получения большой мощности, необходимо иметь большое напряжение питания.

Но сигнал входной и соответственно выходной не всегда обладают большой амплитудой и на маленькой мощности большое напряжение питания не является необходимым, более того КПД данного усилителя на маленькой мощности падает.

Отсюда и вытекают классы усилителей G и H.

Отличие данных усилителей заключается в питании, напряжение которого меняется при необходимости, а в зависимости какой класс G или H оно меняется либо ступенчато, либо плавно.

В усилителе класса H напряжение питания меняется плавно то есть транзисторы находятся в усилительном режиме, а в классе G оно меняется ступенчато, транзисторы в данном классе находятся в ключевом режиме (полностью открыты или полностью заперты).


Усилитель класса H
Усилитель класса G

Вывод: Усилители для комфортного прослушивания звукового тракта в домашних условиях должны работать в классе А, АB или D.

Спасибо за внимание.

Звуковые усилители класса D: как они устроены и с чем их едят? — Усилители мощности низкой частоты (ламповые) — Усилители НЧ и все к ним

Популярность усилителей класса D, предложенных еще в 1958 году, заметно выросла в последние годы. Что они собой представляют? Как соотносятся с другими типами усилителей? Почему класс D представляет интерес для аудиотехники? Что необходимо, чтобы сделать «хороший» звуковой усилитель класса D? Каковы особенности усилителей класса D от Analog Devices? Ответы на эти вопросы следуют далее.

Общая информация о звуковых усилителях

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

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

Преимущество усилителей класса D

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

Линейные усилители, усилители класса D и мощность рассеяния

Выходные каскады линейных усилителей соединяются непосредственно с громкоговорителем (в некоторых случаях через емкости). Биполярные транзисторы в выходном каскаде обычно работают в линейном (активном) режиме при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером. Выходной каскад может также строиться на полевых транзисторах (рис. 1).


Рис. 1. Линейный выходной КМОП-каскад

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

В выходном каскаде, выполненном в классе A, один транзистор служит источником постоянного тока, протекающего через громкоговоритель даже в отсутствие сигнала. (Примечание переводчика. Необходим запас как по увеличению тока [положительная фаза колебания], так и по уменьшению [отрицательная фаза].) В данном классе можно получить хорошее качество звука, однако мощность рассеяния очень велика из-за большого постоянного тока, протекающего через выходные транзисторы (там, где ток нежелателен), даже в отсутствие тока в громкоговорителе (там, где ток собственно и нужен).

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

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

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

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния звукового усилителя класса D(рис. 2) гораздо меньше, чем в вышеперечисленных случаях. Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Такая форма выходного сигнала существенно уменьшает мощность рассеяния, так как при наличии напряжения ток через выходные транзисторы практически не идет (транзистор «закрыт»), либо, когда транзистор открыт и протекает ток, на нем падает небольшое напряжение Vт. Мгновенная мощность рассеяния, IтxVт, в этом случае минимальна.


Рис. 2. Блок-схема усилителя класса D без обратной связи

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

Частотный спектр сигнала модулятора содержит как звуковую составляющую, так и высокочастотную компоненту, которая появляется в процессе модуляции. Поэтому для уменьшения высокочастотной составляющей между выходным каскадом и громкоговорителем часто включается фильтр низких частот. Фильтр (рис. 3) должен обеспечивать минимальные потери, чтобы не растерять преимущество экономичности импульсного режима работы выходного каскада. Фильтр обычно строится из емкостных и индуктивных элементов.


Рис. 3. Мостовое построение выходного каскада с фильтром нижних частот

На рис. 4 сравнивается мощность рассеяния (Pdiss) идеальных выходных каскадов классов A и B с измеренной мощностью рассеяния усилителя класса D — AD1994, в зависимости от мощности, подводимой к громкоговорителю для синусоидального сигнала (Pload). Значения мощности нормированы к уровню Pload max, при котором общие искажения выходного сигнала составляют 10%.


Рис. 4. Мощность рассеяния выходных каскадов классов A, B и D

Зеленая вертикальная линия соответствует выходной мощности, при которой начинается «срез» синусоиды. Заметное различие в мощности рассеяния наблюдается во всем диапазоне выходных мощностей, особенно при низких и средних значениях. В начале «среза» мощность рассеяния выходного каскада класса D примерно в 2,5 раза меньше, чем в классе B, и в 27 раз меньше, чем в классе A. Заметим, что выходной каскад класса A рассеивает больше энергии, чем доходит до громкоговорителя — следствие большой постоянной составляющей тока смещения.

КПД выходного каскада, Eff (efficiency), определяется следующим образом:

В начале «среза» синусоиды Eff равен 25% для усилителя класса A, 78,5% для класса B и 90% для усилителя класса D. Предельные значения КПД усилителей класса A и B часто приводятся в различного рода руководствах.

Разность в мощности рассеивания увеличивается при умеренных уровнях мощности на нагрузке. Это существенно, поскольку даже при высоком уровне громкости преобладающие мгновенные значения мощности заметно меньше пиковых значений, Pload max (в 5–20 раз, в зависимости от типа звука). Таким образом, для звуковых усилителей Pload = 0,19Pload maxявляется разумным средним значением выходной мощности, для которой можно посчитать мощность рассеяния, Pdiss. При таком уровне выходной мощности усилитель класса Dрассеивает в 9 раз меньше, чем усилитель класса B, и в 107 раз меньше, чем усилитель A класса. Для звукового усилителя с Pload max =10 Вт средняя мощность Pload = 1 Вт может рассматриваться как вполне реальная. При этих условиях выходной каскад класса D будет рассеивать 282 мВт, класса B— 2,53 Вт и A класса — 30,2 Вт. КПД при этом составит 78% длякласса D, что несколко ниже 90% при максимальной мощности. Но даже в таком случае это гораздо больше, чем КПД каскадов класса B и A — 28% и 3% соответственно.

Это различие имеет важные последствия для конструкции системы. При уровне мощности более 1 Вт, во избежание перегрева, линейные выходные каскады требуют специальных средств охлаждения — обычно это массивные металлические радиаторы или вентиляторы. Если усилитель выполнен в виде микросхемы, для обеспечения отвода тепла может потребоваться специальный корпус, повышающий стоимость устройства. Это особенно критично, например, в плоских телевизионных приемниках, где пространство ограничено, или в автомобильной аудиотехнике, где налицо тенденция к увеличению числа каналов при сохранении того же объема.

При мощностях ниже 1 Вт основной проблемой является не разогрев, а собственно перерасход энергии. При автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D. В приведенном выше примере выходной каскад D классапотребляет в 2,8 раза меньше, чем выходной каскад класса B, и в 23,3 раза меньше, чем выходной каскад класса A, что позволяет существенно увеличить срок работы источников питания сотовых телефонов, портативных ПК, mp3-проигрывателей.

Для упрощения анализ был сосредоточен на выходных каскадах усилителя. Однако, если учесть все потери усилительной системы, при низких мощностях линейные усилители могут оказаться более предпочтительны. Причина в том, что при низком уровне мощности доля рассеиваемой при модуляции и генерации энергии может оказаться значительной. Таким образом, хорошо спроектированные усилители класса AB с малой мощностью рассеяния покоя могут конкурировать с усилителем класса D в разряде усилителей малой и средней мощности. Среди усилителей большой мощности устройства класса D являются непревзойденными по экономичности.

Усилители класса D: терминология

Мостовая и полумостовая схемы

На рис. 3 показано мостовое построение выходного каскада и LC-фильтра в усилителе класса D. Мост имеет два плеча, выдающих импульсы противоположной полярности на фильтр, состоящий из двух индуктивностей и двух емкостей. Каждое плечо моста содержит два выходных транзистора: верхнее плечо — транзистор, соединенный с положительной шиной питания (MH), и нижнее плечо — транзистор, соединенный с отрицательной шиной питания (ML). Верхнее плечо на рис. 3 образовано pМОП-транзистором. Для этой цели часто используют nМОП-транзистор, что позволяет уменьшить площадь и емкость, однако в этом случае необходима особая техника управления затворами транзисторов [1].


Рис. 3. Мостовое построение выходного каскада с фильтром нижних частот

В мостовых схемах нередко используется однополярное питание VDD, при этом вместо отрицательной шины питания VSS транзисторы подключаются к общему выводу. При данном напряжении питания мостовая схема включения, являясь по сути дифференциальной, может давать вдвое больший выходной сигнал и вчетверо большую мощность в сравнении с обычной схемой. Обычная (полумостовая) схема включения может иметь однополярное и двухполярное питание, однако при однополярном питании необходимо включать громкоговоритель через блокирующую емкость, чтобы убрать постоянную составляющую выходного напряжения, VDD/2.

Напряжение шин питания может колебаться относительно среднего значения за счет индуктивных токов LC-фильтра. Значение производной напряжения, dV/dt, может быть уменьшено включением больших емкостей между шинами питания, VDD и VSS.

В мостовых схемах индуктивная «подкачка» не страшна, так как индуктивный ток, втекающий в одно плечо, вытекает из другого, создавая таким образом локальную токовую петлю и минимально воздействуя на источники питания.

Факторы, определяющие конструкцию аудиоусилителя класса D

Пониженное энергопотребление делает усилитель класса D весьма привлекательным решением, при этом разработчик должен учесть ряд аспектов. Среди них:

  • выбор типоразмера выходных транзисторов;
  • защита выходного каскада;
  • качество звучания;
  • способ модуляции;
  • электромагнитные помехи;
  • конструкция LC-фильтра;
  • стоимость системы.


Рис. 4. Мощность рассеяния выходных каскадов классов A, B и D


Рис. 5. Выход по мощности усилителей классов A, B и D

Выбор типоразмера выходных транзисторов

Типоразмер выходных транзисторов выбирается для оптимизации теплорассеяния во всех режимах работы. Для того чтобы напряжение на транзисторе Vт было малым при большом токе Iт, транзистор должен иметь маленькое сопротивление во включенном состоянии, Ron (обычно 0,1 или 0,2 Ом).

Для этого требуются большие транзисторы, с большой емкостью затвора (CG). Потребляемая цепями управления затворами мощность — CU2f, где C — емкость, U — изменение напряжения при переключении транзисторов, f — частота переключения. Потери на переключение становятся большими, если емкость или частота велики, поэтому существует практический верхний предел. Выбор типоразмера транзистора — компромисс между потерями Vт x Iт и потерями на переключение.

Резистивные потери будут преобладать при высокой выходной мощности, потери на переключение — при низкой. Производители силовых транзисторов стараются минимизиро- вать произведение Ron x CG для уменьшения общей мощности рассеяния транзисторных ключей и обеспечения гибкости при выборе частоты переключения.

Защита выходного каскада

Выходной каскад должен быть защищен от случаев, которые могут привести его к выходу из строя.

Перегрев. Хотя звуковой усилители класса D рассеивают меньше тепла, чем линейные, опасность перегрева все еще остается, если усилитель долго работает при повышенной мощности. Чтобы избежать этого, необходимы цепи температурного контроля. В простых схемах защиты выходной каскад выключается, если его температура, измеренная встроенным датчиком, превысит температурный порог отключения, и не включается, пока температура не придет в норму. Можно использовать и более сложные схемы контроля. Измеряя температуру, цепи управления могут плавно снижать громкость, уменьшая тепловыделение и удерживая температуру в заданных рамках — вместо периодического отключения звука.

Превышение абсолютной величины тока выходных транзисторов. Низкое сопротивление выходных транзисторов во включенном состоянии не является проблемой, если выходные цепи подключены правильно. Большие токи могут возникнуть в случае короткого замыкания выходной цепи либо при ее замыкании с положительной или отрицательной шиной питания. При отсутствии защиты такие токи могут привести к выходу из строя транзисторов или других цепей. Следовательно, необходимы защитные цепи по выходному току. В простых схемах защиты выходной каскад отключается при превышении порогового значения выходного тока.

В более сложных схемах выход сенсора тока вносит свой вклад в обратную связь усилителя, обеспечивая достаточно продолжительную работу усилителя без отключения. В таких схемах отключение производится только тогда, когда остальные меры защиты оказываются неэффективными. Качественные схемы обеспечивают защиту усилителя и от больших пиковых токов, возникающих вследствие резонанса в громкоговорителях.

Низкое напряжение. Большинство выходных ключевых каскадов работает нормально, если напряжение питания достаточно велико. Проблема обычно решается при помощи введения цепей блокировки, которые разрешают работу выходного каскада только если превышен определенный порог напряжения питания.

Синхронизация включения выходных транзисторов. Транзисторы верхнего и нижнего плеча имеют очень низкое сопротивление во включенном состоянии (рис. 6).


Рис. 6. Переключение транзисторов выходного каскада по принципу «отключил перед тем как включил»

Поэтому важно избегать ситуаций, когда оба транзистора включены одновременно, и большой сквозной ток протекает между положительной и отрицательной шинами питания. В лучшем случае транзисторы будут просто нагреваться и тратить лишнюю энергию, в худшем — они могут выйти из строя.

Управление по принципу break-before-make («отключил перед тем как включил») позволяет убрать сквозные токи выключением обоих ключей перед тем, как включить один из них. Интервал времени, в который оба транзистора выключены, называется временем простоя (nonoverlapped time) или «мертвым» временем (dead time).

Качество звучания

Для получения хорошего качества звучания усилителя D класса необходимо учесть ряд факторов.

Щелчки и треск, которые возникают при включении и выключении усилителя, могут раздражать пользователя. Они возникают в усилителях D класса, если не уделить самого пристального внимания состоянию модулятора, синхронизации выходного каскада и состоянию LC-фильтра в моменты включения и выключения.

Отношение сигнал/шум. Чтобы собственные шумы усилителя были практически не слышны, отношение сигнал/шум должно быть не менее 90 дБ у маломощных усилителей для портативных устройств, 100 дБ у усилителей средней мощности и 110 дБ у мощных устройств. Для достижения приемлемого отношения сигнал/шум при разработке усилителя необходимо отслеживать все отдельные источники шума.

Искажения включают нелинейность, определяемую способом модуляции и «мертвым» периодом, который необходим для предотвращения сквозных утечек. Информация об уровне сигнала обычно кодируется шириной импульса модулятора. Наличие «мертвых» периодов влечет за собой нелинейную ошибку тактирования по отношению к импульсам идеальной длины. Для минимизации искажений всегда лучше меньшая длительность «мертвых» периодов. Детальное описание метода оптимизации выходных каскадов для уменьшения искажений можно найти в [2].

Другими источниками искажений являются: различие длительностей фронтов и спадов выходных импульсов, несоответствие временных характеристик цепей управления выходными транзисторами, нелинейность компонентов LC-фильтра низких частот.

Подавление помехи от источника питания. В схеме на рис. 2 шумы источника питания проходят на выход практически без подавления. Это происходит потому, что выходные ключи коммутируют выход усилителя с шинами источников питания через очень низкие сопротивления. Фильтр подавляет высокочастотную составляющую шумов, но пропускает сигналы звуковой частоты, включая шумы. В [3] дается хорошее описание эффекта шумов источника питания в мостовых и обычных двухтактных схемах выходных каскадов.

Если специально не заниматься проблемами качества звучания, трудно достичь величины подавления помехи от источника питания лучше, чем 10 дБ, и общих искажений менее 0,1%.

К счастью, решение этих проблем существует. Хорошо помогает глубокая обратная связь (исправно работающая во многих линейных усилителях). Обратная связь (ОС), взятая с входа LC-фильтра, значительно уменьшит влияние источника питания и ослабит все искажения, не относящиеся к самому LC-фильтру. Нелинейности LC-фильтра можно ослабить включением громкоговорителя в контур обратной связи. В хорошо спроектированном усилителе класса Dможно достичь качества, достойного меломана,— подавление помехи источника питания более 60 дБ, искажения менее 0,01%.

Введение обратной связи несколько усложняет конструкцию усилителя. Необходимо учитывать проблему стабильности цепи обратной связи — это усложняет процесс проектирования системы. Для непрерывной обработки сигнала обратной связи необходимо включение специальных аналоговых цепей, что в итоге приводит к увеличению стоимости кристалла (в случае интегрального исполнения усилителя).

Для уменьшения стоимости ИМС некоторые производители предпочитают минимизировать или вообще убирать цепи обработки сигнала обратной связи. В некоторых решениях используется модулятор без обратной связи плюс аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для контроля источника питания — для коррекции работы модулятора [3].

Это может улучшить подавление помехи источника питания, но практически не уменьшает общие искажения сигнала. В других цифровых модуляторах используется предкомпенсация ожидаемых ошибок тактирования выходного каскада, или коррекция ошибки модулятора. Это может хотя бы частично учесть некоторые типы искажений, но не все. Усилители класса D без обратной связи могут использоваться в тех случаях, когда к качеству звучания не предъявляется серьезных требований, в остальных случаях обратная связь представляется весьма желательной.

Способы модуляции

Модуляторы в усилителях D класса могут выполняться многими способами, что отражает большое количество соответствующих разработок. В данной статье будут представлены основные концепции построения модуляторов.

Все способы модуляции в классе D кодируют аудиосигнал в поток импульсов. Обычно ширина импульсов связана с амплитудой звукового сигнала, спектр импульсов при этом включает полезный звуковой сигнал и нежелательную (но неизбежную) высокочастотную (ВЧ) составляющую. Общая мощность высокочастотной составляющей во всех схемах примерно одинакова, так как практически одинакова мощность импульсов, а согласно теореме полноты суммарная мощность сигнала во временной области равна таковой в частотной области. Однако распределение энергии по частоте варьируется широко: в некоторых случаях это выраженные ВЧ-тоны над низким шумовым фоном, тогда как в других распределение таково, что тоны отсутствуют при более высоком основном фоне.

Наиболее общим способом модуляции является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Суть ее заключается в том, что звуковой сигнал сравнивается с сигналом треугольной или пилообразной формы фиксированной частоты (несущей). Получается поток импульсов той же частоты, при этом длительность каждого импульса пропорциональна величине звукового сигнала. В примере на рис. 7 аудиосигнал и треугольные импульсы центрированы относительно 0 В, тогда при 0 В на аудиовходе скважность выходных импульсов составит 50%. При большом положительном входном сигнале скважность будет около 100%, при большом отрицательном — около 0%. Если амплитуда звукового сигнала превысит амплитуду треугольных импульсов, получим полную модуляцию, когда переключение прекращается, скважность составит 0% или 100%.



Рис. 7. Широтно-импульсная модуляция

Способ ШИМ предпочтительнее потому, что может обеспечить до 100 дБ и выше подавление помехи источника питания при достаточно низкой частоте несущей — в несколько сотен килогерц, что дает возможность ограничения потерь при переключении выходного каскада. Кроме того, многие ШИМ устойчивы почти до 100%-ной модуляции, что обеспечивает стабильность работы усилителя на максимальных мощностях, вблизи области перегрузки. Тем не менее, ШИМ имеет и некоторые минусы. Во-первых, вследствие своей собственной природы, искажения вносит сам процесс ШИМ [4], во-вторых, гармоники несущей ШИМ дают помехи в радиодиапазоне длинных и средних волн, наконец, ширина импульсов ШИМ становится очень малой вблизи полной модуляции. Это в большинстве случаев вызывает проблемы в цепях управления выходным каскадом — из-за естественных ограничений процесс переключения не может быть настолько быстрым, чтобы получать импульсы длительностью в единицы наносекунд.

Поэтому полная модуляция часто недостижима в усилителях с ШИМ, что ограничивает максимальную мощность значениями ниже теоретических, учитывающих лишь мощность источника питания, сопротивление включенного транзистора и эквивалентное сопротивление громкоговорителя.

Альтернативой ШИМ является модуляция плотностью импульсов (МПИ), когда число импульсов за определенный отрезок времени пропорционально среднему значению звукового сигнала. Ширина отдельного импульса не является определяющей, как в ШИМ, вместо этого импульсы «квантованы» кратно периоду генерации модулятора. Одной из разновидностей МПИ является 1-битный сигма-дельта модулятор.

Значительная часть ВЧ составляющей мощности сигма-дельта модулятора распределена в широком диапазоне частот без концентрации в отдельные тоны с частотами, кратными несущей, как это происходит в ШИМ. Это дает преимущество сигма-дельта модуляции по сравнению с ШИМ в плане электромагнитных помех. Некоторая составляющая на частоте дискретизации в методе МПИ все же имеется, однако, учитывая, что типичные значения частоты составляют от 3 до 6 МГц, что значительно выше звукового диапазона, эти тоны сильно подавляются LC-фильтром нижних частот. Другим преимуществом сигма-дельта модулятора является то, что минимальная длительность импульса составляет один период дискретизации даже при больших сигналах, близких к условию полной модуляции. Это упрощает конструкцию цепей управления выходным каскадом и обеспечивает их надежную работу вплоть до теоретически максимального уровня мощности. Несмотря на это, обычные 1-битные сигма-дельта модуляторы не слишком часто используются в усилителях D класса [4], поскольку они обеспечивают лишь до 50% модуляции, и выход по мощности ограничен. Кроме того, для достижения приемлемого отношения сигнал/шум в звуковой полосе частот требуется не менее, чем 64-кратная передискретизация, что соответствует частоте импульсов минимум 1 МГц.

В последнее время были предложены усилители на основе автогенератора [5]. В этих усилителях всегда используется обратная связь, определяющая частоту переключения модулятора, при этом внешний задающий генератор не применяется. Спектр ВЧ составляющей, как правило, более равномерен, чем в ШИМ. Благодаря обратной связи в данном случае возможно высокое качество звука, однако контур является автоколебательным, поэтому его трудно синхронизировать с какой-либо другой колебательной системой или соединить с цифровым источником звука без предварительного преобразования в аналоговый.

В мостовой схеме (рис. 3) для снижения электромагнитных помех может использоваться 3-ступенчатая модуляция. При работе мостового усилителя в обычном дифференциальном режиме плечо A должно находиться в противофазе с плечом B. Используется два состояния моста: плечо A подключено к положительной шине, плечо B— к отрицательной, и наоборот. В общем случае существует еще два состояния, в которых оба плеча моста находятся в одинаковых состояниях (оба подключены к положительной шине или оба к отрицательной). Одно из этих синфазных состояний может быть использовано наряду с дифференциальными для 3-ступенчатой модуляции, когда на дифференциальном входе LC-фильтра может быть положительный сигнал, нулевой или отрицательный. Нулевое состояние может использоваться как соответствующее низкому уровню мощности вместо переключения между положительными и отрицательными уровнями в 2-ступенчатой схеме. При нулевом состоянии снижается дифференциальная электромагнитная помеха на LC-фильтре, хотя, в то же время, увеличивается синфазная составляющая. Этот режим возможен только при малых выходных мощностях, так как лишь дифференциальные выходные сигналы способны обеспечить работу такой схемы на максимальной мощности. Схемы с переменным уровнем синфазного напряжения в 3-ступенчатой модуляции представляют в некоторой степени альтернативу усилителям с замкнутой обратной связью.

Уменьшение электромагнитных помех (ЭМП) в усилителях класса D

ВЧ-компоненты выхода усилителя класса D заслуживают отдельного рассмотрения.

При недостаточном понимании процессов и отсутствии адекватных мер эти части системы могут давать сильные ЭМП и мешать работе остального оборудования. Необходимо учесть два вида ЭМП: сигналы, излучаемые в пространство, и те, которые распространяются по проводам громкоговорителя и питающей

Усилители класс D

Усилитель Д классаУсилитель Д классаУсилитель Д класса и основные принципы его работы. В этой статье публикуется небольшой экскурс в понятие, что такое усилитель Д класса и как он работает, какие его отличительные характеристики. Также в этой статье представлена принципиальная схема усилителя на основе IR2110 для самостоятельной сборки.

Статья полностью: → Усилитель Д класса

Усилители класс D

Аудио усилителиАудио усилителиАудио усилители MERUS класса D. Производитель электронных компонентов Infineon запустил свой бренд MERUS, объединив существующий портфель многочиповых модулей и дискретных аудио продуктов под одним именем. Бренд призван продемонстрировать лучшие интегральные схемы для усилителей звука.

Статья полностью: → Аудио усилители MERUS — Часть 2

Усилители класс D

Усилитель звукУсилитель звукУсилитель мощности D класса. Основное достоинство усилителей D класса — высокий КПД, при этом главной задачей звуковых усилителей является передача входного аудио сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами.

Статья полностью: → Трансформатор для светодиодной ленты

Усилители класс D

Аудио усилителиАудио усилителиАудио усилители MERUS класса D. Производитель электронных компонентов Infineon запустил свой бренд MERUS, объединив существующий портфель многочиповых модулей и дискретных аудио продуктов под одним именем. Бренд призван продемонстрировать лучшие интегральные схемы для усилителей звука.

Статья полностью: → Аудио усилители MERUS

Усилители класс D

Усилитель двухканальныйУсилитель двухканальныйУсилитель двухканальный TAD Evolution M1000 — японская высокотехнологичная Hi-Fi компания Technical Audio Devices Laboratories Inc. представляет новый электронный компонент для серии TAD Evolution, а именно новый стереофонический усилитель мощности, в виде двухканального усилителя мощности TAD Evolution M1000.

Ознакомиться со всем текстом поста: → Усилитель двухканальный TAD Evolution M1000

Усилители класс D

Core i5-9400FCore i5-9400FУсилитель для сабвуфера ПалНик — если вы после сборки таких усилителей, как Ланзар, Холтон, ОМ, начинаете присматриваться к Д-классу, то этот усилитель как раз для первого ознакомления с Д-классом. ПалНик обладает довольно неплохими характеристиками, несложной схемой и не требует никаких настроек.

Читать подробнее → Усилитель для сабвуфера

Усилители класс D Схема усилителя

класса D с использованием микросхемы 555

Усилитель класса D, также называемый цифровым усилителем, использует широтно-импульсную модуляцию или технологию ШИМ для усиления подаваемого аналогового музыкального сигнала с малой амплитудой.

Почему усилитель класса D

Основными преимуществами этого типа усилителей являются высокая эффективность, низкая стоимость, при этом единственным недостатком является связь искажений, если они не очищены правильно рассчитанными фильтрами на выходе.

Обычно все усилители являются аналоговыми на основе, когда входная музыка или частота усиливается в соответствии с тем же шаблоном, который подается на вход.

Поскольку музыка может в значительной степени экспоненциально расти и падать, а также частоты, сопровождаемые всевозможными амплитудами, вызывают нагрев устройств.

Это происходит из-за того, что BJT и Mosfet не «любят» переходные входы, где сигнал не имеет внезапного нарастания и падения, а довольно постепенно проходит через точки, где устройства не полностью включены или выключены, это вызывает большое выделение тепла и энергии потеря

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

Однако, так как ШИМ будут состоять из неэкспоненциальных импульсов, где импульсы имеют форму прямоугольных столбов, внезапно включающих / выключающих без переходов, это может привести к значительным искажениям на выходе.

Чтобы сгладить вышеупомянутую проблему, обычно включается фильтр нижних частот, в котором пики сглаживаются, чтобы генерировать достаточно хорошую и четкую усиленную репликацию.

В предлагаемом проекте схемы цифрового усилителя класса D используется знаменитая ИС 555 для предполагаемых сравнений.

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

Использование импульсной позиционной модуляции

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

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

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

Вышеуказанные высокочастотные треугольные волны сравниваются с музыкальным входом, подаваемым на управляющий входной вывод 5 микросхемы.

Здесь низковольтный музыкальный сигнал сначала усиливается до некоторого оптимального уровня напряжения, а затем подается на вывод № 5 управляющего входа IC555.

Это приводит к обсужденному выходному сигналу PPM на выводе 3 микросхемы. Это усиливается T1 для выхода с высоким током и подается на громкоговоритель для требуемого усиления типа класса D.

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

Фильтрующий конденсатор (неполярный) может быть испытан через LS для получения более чистых звуковых выходов.

IC 555 Распиновка

IC LM386 Распиновка

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и учебными пособиями.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемой, вы можете общаться через комментарии, я буду очень рад помочь!

Классы усилителей мощности (Объясненные усилители класса A, B, AB, C, D)

В электронике усилитель является наиболее часто используемым схемным устройством с огромными возможностями применения. В электронике, связанной с аудио, предусилитель и усилители мощности представляют собой два разных типа систем усилителей, которые используются для целей, связанных с усилением звука. Но, кроме этой конкретной цели применения, существуют огромные различия в различных типах усилителей, в основном в усилителях мощности. Поэтому здесь мы рассмотрим различных классов усилителей вместе с их достоинствами и недостатками.

Классификация усилителей с использованием букв

Классы усилителей — это идентичность характеристик и характеристик усилителя. Различные типы усилителей мощности дают разные ответы при прохождении через них тока. В соответствии с их спецификациями усилителям назначаются разные буквы или алфавиты, которые представляют их классы. Существуют различные классы усилителей, начиная с A, B, C, AB, D, E, F, T и т. Д. .Из этих классов наиболее часто используемые классы аудиоусилителей — это A, B, AB, C. Другие классы — это современные усилители, которые используют переключающие топологии и метод ШИМ (широтно-импульсная модуляция) для управления выходной нагрузкой. Иногда улучшенным версиям традиционных классов присваиваются буквы, чтобы классифицировать их как различные классы усилителей, например, усилитель класса G представляет собой модифицированный класс усилителей класса B или усилителя класса AB.

Классы усилителя представляют пропорцию входного цикла, когда ток проходит через усилитель. Цикл ввода — это угол проводимости, полученный из синусоидальной волновой проводимости на входе усилителя. Этот угол проводимости сильно пропорционален усилителям по времени в течение полного цикла. Если усилитель всегда включен во время цикла, угол проводимости будет 360 градусов . Таким образом, если усилитель обеспечивает угол проводимости 360 градусов, то усилитель использовал полный входной сигнал, а активный элемент проводился в течение 100% периода полного синусоидального цикла.

Ниже мы продемонстрируем традиционных класса усилителей мощности, начиная с классов A, B, AB и C, , а также продемонстрируем усилитель класса D, который широко используется в коммутационных конструкциях. Эти классы не только используются в усилителе мощности, но также используются в схемах аудиоусилителей.

Усилитель класса A

Усилитель класса A — это усилитель с высоким коэффициентом усиления и высокой линейностью. В случае усилителя класса A угол проводимости составляет 360 градусов.Как указывалось выше, угол проводимости 360 градусов означает, что усилительное устройство остается активным в течение всего времени и использует полный входной сигнал. На изображении ниже показан идеальный усилитель класса А.

CLASS A Amplifier

Как мы видим на изображении, есть один активный элемент, транзистор. Смещение транзистора остается включенным все время. Благодаря этому, функция никогда не выключается, усилитель класса обеспечивает лучшую стабильность частоты и обратной связи .Помимо этих преимуществ, усилитель класса A легко построить с одним компонентом устройства и минимальным количеством деталей.

Несмотря на преимущества и высокую линейность, безусловно, у него много ограничений. Благодаря непрерывной проводящей природе усилитель класса обеспечивает высокие потери мощности . Кроме того, из-за высокой линейности усилитель класса А обеспечивает искажения и шумы. Блок питания и конструкция смещения требуют тщательного выбора компонентов, чтобы избежать нежелательного шума и минимизировать искажения.

Из-за больших потерь мощности в усилителе класса A он излучает тепло и требует больше места для радиатора. Эффективность в усилителях класса А очень низкая, теоретически эффективность варьируется от 25 до 30% при использовании с обычной конфигурацией. Эффективность может быть улучшена с использованием конфигурации с индуктивно связанной связью, но эффективность в таком случае составляет не более 45-50%, таким образом, подходит только для целей усиления слабого сигнала или низкого уровня мощности.

Усилитель класса B

Усилитель класса B немного отличается от класса A. Он создается с использованием двух активных устройств, которые проводят половину фактического цикла , то есть 180 градусов цикла. Два устройства обеспечивают комбинированный ток привода для нагрузки.

CLASS B Amplifier

На изображении выше показана конфигурация усилителя Ideal Class B. Он состоит из двух активных устройств, которые смещаются одно за другим во время положительного и отрицательного полупериода синусоидальной волны , и, таким образом, сигнал сдвигается или подтягивается к усиленному уровню как с положительной, так и с отрицательной стороны, и объединяет результат, который мы получаем через полный цикл. выход.Каждое устройство включалось или становилось активным в половине цикла, и благодаря этому эффективность повышается, по сравнению с 25-30% КПД усилителя класса А, теоретически он обеспечивает КПД более 60%. Мы можем видеть график входного и выходного сигнала каждого устройства на рисунке ниже. КПД не более 78% для усилителя класса B . Теплоотдача в этом классе сведена к минимуму, что обеспечивает низкий объем радиатора .

Но у этого класса также есть ограничение. Очень глубоким ограничением этого класса является искажение кроссовера . Поскольку два устройства обеспечивают каждую половину синусоидальных волн, которые объединяются и соединяются через выходной сигнал, в области, где объединяются две половины, имеется несоответствие (пересечение). Это связано с тем, что когда одно устройство завершает половину цикла, другое должно обеспечивать одинаковую мощность почти в то же время, когда другое завершает работу. Эту ошибку трудно исправить в усилителе класса A, поскольку во время активного устройства другое устройство остается полностью неактивным.Ошибка обеспечивает искажение в выходном сигнале. Из-за этого ограничения это серьезный сбой для применения прецизионного аудиоусилителя.

Усилитель класса AB

Альтернативный подход для преодоления перекрестного искажения заключается в использовании усилителя AB . Усилитель класса AB использует промежуточный угол проводимости обоих классов A и B, поэтому мы видим свойства усилителя класса A и класса B в этом топологическом классе класса AB.Аналогично классу B, он имеет ту же конфигурацию с двумя активными устройствами, которые проводят в течение половины циклов индивидуально, но каждое устройство смещено по-своему, поэтому они не отключаются полностью в неиспользуемый момент (момент кроссовера). Каждое устройство не покидает проводимость сразу после завершения половины синусоидальной формы волны, вместо этого они проводят небольшое количество ввода в другой половине цикла. Используя эту технику смещения, несоответствие кроссовера во время мертвой зоны значительно уменьшается.

CLASS AB Amplifier

Но в этой конфигурации эффективность снижается, поскольку линейность устройств подвергается риску. Эффективность остается большей, чем эффективность типичного усилителя класса A, но она ниже, чем у системы усилителей класса B. Кроме того, необходимо тщательно выбирать диоды с одинаковыми характеристиками и располагать их как можно ближе к выходному устройству. В некоторых схемотехнических конструкциях конструкторы, как правило, добавляют резистор малого значения для обеспечения стабильного тока покоя на устройстве, чтобы минимизировать искажения на выходе.

Усилитель класса C

Помимо усилителей класса A, B и AB, есть еще один усилитель класса C. Это традиционный усилитель, который работает не так, как другие классы усилителей. Усилитель класса C — это настроенный усилитель, который работает в двух разных режимах работы: настроенный или ненастроенный. КПД усилителя класса C намного больше, чем у A, B и AB. Максимальная эффективность 80% может быть достигнута в операциях, связанных с радиочастотами

CLASS C Amplifier

Усилитель класса

C использует угол проводимости менее 180 градусов. В ненастроенном режиме секция тюнера исключена из конфигурации усилителя. В этой операции усилитель класса C также дает огромное искажение на выходе.

Когда цепь подвергается настраиваемой нагрузке, она ограничивает уровень выходного смещения средним выходным напряжением, равным напряжению питания. Настроенная операция называется фиксатора . Во время этой операции сигнал приобретает правильную форму, а центральная частота становится менее искаженной.

При обычном использовании усилитель класса C обеспечивает эффективность 60-70%.

Усилитель класса D

Усилитель класса D — это импульсный усилитель, который использует широтно-импульсную модуляцию или ШИМ. Угол проводимости не является фактором в таком случае, так как прямой входной сигнал изменяется с переменной шириной импульса.

В этой системе усилителей класса D линейное усиление не принимается, поскольку они работают так же, как и обычный выключатель, который имеет только две операции: ВКЛ или ВЫКЛ.

CLASS D Amplifier

Перед обработкой входного сигнала аналоговый сигнал преобразуется в импульсный поток с помощью различных методов модуляции, а затем подается на систему усилителей. Поскольку длительность импульсов связана с аналоговым сигналом, он снова восстанавливается с использованием фильтра нижних частот на выходе.

Усилитель класса D является самым мощным усилителем класса в сегментах A, B, AB, C и D. Он имеет меньшую теплоотдачу, поэтому необходим небольшой радиатор.Схема требует различных переключающих компонентов, таких как полевые транзисторы с низким сопротивлением.

Это широко используемая топология в цифровых аудиоплеерах или для управления двигателями. Но следует помнить, что это не цифровой конвертер. Хотя для более высокой частоты усилитель класса D не является идеальным выбором, поскольку в некоторых случаях он имеет ограничения полосы пропускания в зависимости от возможностей фильтра нижних частот и модуля преобразователя.

Другие классы усилителей

Помимо традиционных усилителей, есть еще несколько классов, которые относятся к классу E, классу F, классу G и H.

Усилитель класса E — это высокоэффективный усилитель мощности, использующий топологию коммутации и работающий на радиочастотах. Однополюсный переключающий элемент и настроенная реактивная сеть являются основным компонентом для использования с усилителем класса E.

Class F — усилитель с высоким импедансом в отношении гармоник. Он может управляться с помощью прямоугольной или синусоидальной волны. Для синусоидального волнового входа этот усилитель может быть настроен с использованием индуктора и может использоваться для увеличения усиления.

Класс G использует переключение шин для снижения энергопотребления и повышения эффективности. И Class H является еще более улучшенной версией Class G.

Дополнительные классы — усилитель специального назначения. В некоторых случаях буквы предоставляются производителем для обозначения их фирменного дизайна. Одним из лучших примеров является усилитель класса T, который является торговой маркой для особого типа коммутационного усилителя класса D, используемого для технологий усилителей Tripath, который является запатентованным дизайном.

,

A, B, AB, C, D и т. Д. »Электроника Примечания

Способ работы усилителя определяется его классом — широко используются классы усилителей, включая A, B, AB, C, D и другие.


Концепции дизайна усилителя Включает в себя:
Основные понятия Усилитель классов


Усилители

классифицируются в зависимости от способа их смещения и работы.

Классы усилителей, включая класс A, класс B, класс AB, класс C и тому подобное, широко распространены при рассмотрении характеристик усилителей и их конструкции.

Класс усилителя выбран в соответствии с общими требованиями. Различные классы усилителей обеспечивают разные характеристики, позволяя усилителю работать определенным образом, а также с уровнем эффективности.

Обзор классов усилителей

Различные классы усилителей обеспечивают разные рабочие характеристики. Это делает разные типы усилителей подходящими для разных ситуаций. Сводная таблица их различных характеристик приведена ниже.


Обозначение класса усилителя Усилитель
и краткое описание характеристик
Класс Описание угол проводимости θ
Класс A Проводимость в течение полного 360 ° цикла θ = 2π
класс B Проводимость происходит за половину цикла, то есть за 180 ° θ = π
класс AB Проводимость происходит чуть больше половины цикла, т.е.е. чуть больше 360 ° θ <θ <2π
класс C Проводимость происходит менее чем на 180 ° цикла, но это создает искажение θ <π
Классы от D до T Эти классы усилителей используют методы нелинейного переключения для повышения эффективности. N / A

усилители класса A

Усилитель класса А смещен так, что он проводит в течение всего цикла сигнала.Он проводит все время, даже для очень слабых сигналов или при отсутствии сигнала.

Усилитель класса A по своей природе является наиболее линейной формой усилителя, и его обычно смещают для обеспечения того, чтобы выходной сигнал самого устройства, прежде чем он проходил через соединительный конденсатор или трансформатор, находился на половине напряжения в шине, что допускает отклонения напряжения одинаково по обе стороны от этой центральной точки. Это означает, что самый большой сигнал может быть размещен до того, как он достигнет верхней или нижней линии напряжения.

Обычно усилитель класса A начинает становиться нелинейным, когда сигнал приближается к любой шине напряжения, поэтому работа обычно не допускается в этой ситуации.

Для правильной работы усилителя в его состоянии класса A ток без сигнала на выходном каскаде должен быть равен или превышать максимальный ток нагрузки для пика любого сигнала.

Поскольку выходное устройство всегда проводит этот ток представляет собой потерю мощности в усилителе. Фактически максимальный теоретический КПД, которого может достичь усилитель класса А, составляет 50% с индуктивной выходной связью или только 25% с емкостной связью.На практике фактические полученные значения намного меньше, чем это по ряду причин, включая потери в цепи и тот факт, что сигналы обычно не остаются на своих максимальных значениях, где достигаются максимальные уровни эффективности.

Соответственно, усилитель класса A обеспечивает линейный выход с наименьшим искажением, но он также имеет самый низкий уровень эффективности.

усилители класса B

Усилитель класса B смещен так, что он проводит более половины формы сигнала.Используя два усилителя, каждый из которых проводит половину сигнала, можно покрыть весь сигнал.

Для достижения этого используются два активных устройства, и форма входного сигнала разделяется так, что одно активное устройство проводит в течение половины цикла ввода, а другое — в течение другой половины. Две половины суммируются на выходе усилителя для восстановления полной формы сигнала.

Иногда усилители класса B называются двухтактными, поскольку выходы активных устройств имеют фазовое соотношение 180 °.Однако в наши дни этот термин используется реже — он был очень распространен, когда использовались вакуумные трубки / термоэлектронные клапаны, и в последние годы этот термин вышел из употребления.

Эффективность намного выше, но усилитель класса B страдает от так называемого перекрестного искажения, когда одна половина усилителя выключается, а другая вступает в действие. Это обусловлено нелинейностями, возникающими вблизи точки переключения, когда одно устройство включается, а другое выключается.Эта точка, как известно, нелинейная, и искажение особенно заметно для сигналов низкого уровня, где нелинейный участок кривой представляет гораздо большую часть общего сигнала.

Хотя максимальная теоретическая эффективность усилителя класса B составляет 78,5%, типичные уровни эффективности намного ниже.

усилители класса AB

Как и следовало ожидать, усилитель класса AB попадает между классом A и классом B. Он стремится преодолеть перекрёстное искажение, слегка включив транзисторы, чтобы они проводили чуть больше половины цикла и два устройства перекрывались небольшое количество во время фазы включения / выключения, тем самым преодолевая искажения кроссовера.

Этот подход означает, что усилитель жертвует определенным потенциалом эффективности для лучшей линейности — в точке пересечения выходного сигнала происходит гораздо более плавный переход. Таким образом, усилители класса AB жертвуют некоторой эффективностью для уменьшения искажений. Соответственно, класс AB является гораздо лучшим вариантом, когда необходим компромисс между эффективностью и линейностью.

Классы AB1 и AB2
Термоэмиссионные клапаны или вакуумные трубки широко использовались для мощных аудио- и радиочастотных линейных усилителей.Чтобы сохранить стоимость, вес и энергопотребление, усилители использовались в классе AB, и часто упоминались два подкласса усилителей: класс AB1 и AB2. Эти подклассы применимы только к технологии термоэлектронной или вакуумной трубки, поскольку они относятся к способу смещения сетки:

  • Класс AB1: Класс AB1 — это место, где сетка имеет более отрицательное смещение, чем в классе А. В классе AB1, клапан смещен, так что ток сетки не течет. Усилители этого класса также дают меньшие искажения, чем усилители класса AB2.
  • Класс AB2: Класс AB2 — это место, где сетка часто имеет более отрицательное смещение, чем в AB1, также размер входного сигнала часто больше. В этом классе сетка течет в течение части положительного входного полупериода. Обычная практика для точки смещения сетки класса AB2 быть ближе к отсечке, чем в классе AB1, а класс AB2 дает большую выходную мощность.

усилители класса C

Усилитель класса C смещен так, что он проводит намного меньше, чем половина цикла.Это приводит к очень высоким уровням искажений, но также позволяет достигать очень высоких уровней эффективности. Этот тип усилителя может использоваться для РЧ-усилителей, которые несут сигнал без амплитудной модуляции — его можно использовать для частотной модуляции без проблем. Гармоники, созданные усилителем, эффективно работающим в насыщении, могут быть удалены фильтрами на выходе. Эти усилители не используются для аудио приложений ввиду уровня искажений.

Усилители

класса C обычно используют одно активное устройство, которое хорошо смещено в свою отключенную область.При подаче сигнала верхние пики сигнала заставляют устройство работать с проводимостью, но, очевидно, только для небольшой части каждого цикла входной волны.

На выходе схема использует резонансный контур с высоким Q, L-C. Эта схема эффективно звонит после того, как на нее воздействует каждый импульс, так что на выходе содержится приближение к синусоиде. На выходе требуется фильтрация, чтобы уровень гармоник был достаточно низким.

Как правило, угол проводимости для транзистора значительно меньше 180 ° — часто в области 90 °.Уровни эффективности могут достигать 80%, но значения 66% являются более нормальными, если учитывать потери в цепи и т. Д.

Усилитель

Классы от D до T

Существует множество различных классов усилителей, которые, как правило, основаны на методах коммутации, а не на аналоговых подходах.

  • Усилитель класса D: В аудиоусилителе класса D используется технология коммутации внутри усилителя. Поскольку выходные устройства либо включены, либо выключены, усилители класса D теоретически могут достичь уровней эффективности 100%.В действительности фактические достигнутые уровни меньше, но тем не менее достигнутые уровни эффективности намного выше, чем у других аналоговых классов.

    Один из первоклассных усилителей класса D для аудио был представлен Sinclair в Великобритании примерно в 1964 году. Хотя эта концепция была хорошей в теории, усилитель не работал особенно хорошо, и когда он это делал, усилитель имел тенденцию вызывать большое количество помехи для местного радио и телевидения, поскольку меры предосторожности по ЭМС обычно не применялись к оборудованию в настоящее время.

  • Усилитель класса G: Класс G — это форма усилителя, в которой используется несколько источников питания, а не один источник питания. Для сигналов низкого уровня используется источник низкого напряжения, но по мере увеличения уровня сигнала используется источник высокого напряжения. Это постепенно приводится в действие до полной номинальной выходной мощности по мере необходимости. Это дает очень эффективную конструкцию, так как дополнительная мощность используется только тогда, когда она действительно требуется. Изменение более высокого напряжения питания может быть достигнуто без ущерба для точности выходного сигнала.Таким образом, усилитель способен обеспечивать как низкие уровни искажений, так и высокие уровни эффективности. Этот подход может быть сложным для разработки с нуля, но при правильной разработке он может работать хорошо. К счастью, сложность конструкции можно уменьшить, если использовать одну из множества звуковых ИС, использующих класс G.

В наши дни для дизайнера доступно гораздо больше рабочих классов усилителей. Современная кремниевая технология открыла намного больше дверей, но, несмотря на это, все еще наиболее широко используются основные три класса усилителей класса, класса B и класса C с производным классом AB, который представляет собой нечто среднее между классами A и B.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы. , ,

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *