Penguat audio Kelas D: Apa, Mengapa, dan Bagaimana

Penguat Kelas D, yang pertama kali dicadangkan pada tahun 1958, telah menjadi semakin popular pada tahun -tahun kebelakangan ini. Apakah penguat kelas D? Bagaimanakah mereka membandingkan dengan penguat lain? Mengapa kelas D menarik minat audio? Apa yang diperlukan untuk membuat penguat kelas Audio "baik"? Apakah ciri -ciri produk penguat Kelas D ADI? Cari jawapan kepada semua soalan ini di halaman berikut.

Latar belakang penguat audio

Matlamat penguat audio adalah untuk menghasilkan semula isyarat audio input pada unsur-unsur output yang menghasilkan bunyi, dengan jumlah yang dikehendaki dan tahap kuasa-setia, cekap, dan pada herotan yang rendah. Frekuensi audio berkisar antara 20 Hz hingga 20 kHz, jadi penguat mesti mempunyai tindak balas frekuensi yang baik ke atas julat ini (kurang ketika memandu penceramah batas band, seperti AWooferatau aTweeter). Keupayaan kuasa berbeza-beza bergantung kepada aplikasi, dari Milliwatts dalam fon kepala, ke beberapa watt di TV atau audio PC, kepada puluhan watt untuk "mini" stereos rumah dan audio automotif, kepada beratus-ratus watts dan seterusnya untuk rumah yang lebih berkuasa dan sistem bunyi komersil-dan untuk mengisi teater atau auditorium dengan bunyi.

Pelaksanaan analog langsung penguat audio menggunakan transistor dalam mod linear untuk membuat voltan output yang merupakan salinan skala voltan input. Keuntungan voltan ke hadapan biasanya tinggi (sekurang -kurangnya 40 dB). Sekiranya keuntungan ke hadapan adalah sebahagian daripada gelung maklum balas, keseluruhannyakeuntungan gelungjuga akan tinggi. Maklum balas sering digunakan kerana keuntungan gelung yang tinggi meningkatkan penyelewengan prestasi yang disebabkan oleh nonlineariti di jalan ke hadapan dan mengurangkan bunyi bekalan kuasa dengan meningkatkan penolakan bekalan kuasa (PSR).

Kelebihan penguat kelas D

Dalam penguat transistor konvensional,Tahap OutputMengandungi transistor yang membekalkan arus output berterusan serta -merta. Banyak pelaksanaan yang mungkin untuk sistem audio termasuk kelas A, AB, dan B. berbanding denganKelas dReka bentuk, pelesapan kuasa peringkat output adalah besar walaupun yang paling berkesanlinearperingkat output. Perbezaan ini memberikan kelebihan kelas D yang ketara dalam banyak aplikasi kerana pelesapan kuasa yang lebih rendah menghasilkan kurang haba, menjimatkan ruang dan kos papan litar, dan memanjangkan hayat bateri dalam sistem mudah alih.

Penguat linear, penguat kelas D, dan pelesapan kuasa

Tahap output linear-amplifier disambungkan secara langsung kepada pembesar suara (dalam beberapa kes melalui kapasitor). Jika transistor persimpangan bipolar (BJTS) digunakan dalam peringkat output, mereka biasanya beroperasi dalam mod linear, dengan voltan pemancar yang besar. Tahap output juga boleh dilaksanakan dengan transistor MOS, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.

Rajah 1. Tahap output linear CMOS.

Kuasa hilang dalam semua peringkat output linear, kerana proses menjanaV_Keluar tidak dapat dielakkan menyebabkan nonzeroI_Ds danV_Ds Dalam sekurang -kurangnya satu transistor output. Jumlah pelesapan kuasa sangat bergantung pada kaedah yang digunakan untuk mensyaratkan transistor output.

TheKelas aTopologi menggunakan salah satu transistor sebagai sumber semasa DC, yang mampu membekalkan arus audio maksimum yang diperlukan oleh penceramah. Kualiti bunyi yang baik adalah mungkin dengan peringkat output Kelas A, tetapi pelesapan kuasa berlebihan kerana arus bias DC yang besar biasanya mengalir di peringkat outputtransistor(di mana kita tidak menginginkannya), tanpa dihantar kepembesar suara(di mana kita mahu).

TheKelas bTopologi menghapuskan arus bias DC dan menghilangkan kuasa yang kurang. Transistor outputnya dikawal secara individu dengan cara tarik-tarik, yang membolehkan peranti MH membekalkan arus positif kepada penceramah, dan ML menenggelamkan arus negatif. Ini mengurangkan pelesapan kuasa peringkat output, dengan hanya isyarat semasa yang dijalankan melalui transistor. Litar Kelas B mempunyai kualiti bunyi yang lebih rendah, bagaimanapun, disebabkan oleh tingkah laku tak linear (Penyimpangan crossover) apabila arus output melalui sifar dan transistor berubah antara keadaan ON dan OFF.

Kelas AB, Kompromi hibrid kelas A dan B, menggunakan beberapa arus bias DC, tetapi lebih kurang daripada reka bentuk Kelas A yang tulen. Arus bias DC kecil mencukupi untuk mencegah gangguan crossover, membolehkan kualiti bunyi yang baik. Pelepasan kuasa, walaupun di antara had kelas A dan kelas B, biasanya lebih dekat dengan kelas B. Beberapa kawalan, sama dengan litar Kelas B, diperlukan untuk membolehkan litar AB kelas untuk membekalkan atau tenggelam arus output yang besar.

Malangnya, walaupun penguat AB kelas yang direka dengan baik mempunyai pelesapan kuasa yang signifikan, kerana voltan output midrange umumnya jauh dari rel bekalan positif atau negatif. Voltan sumber longkang yang besar sehingga menghasilkan yang signifikanI_Ds × V_DsPelepasan kuasa seketika.

Terima kasih kepada topologi yang berbeza (Rajah 2),Kelas dAmplifier menghilangkan kuasa yang kurang daripada mana -mana di atas. Tahap outputnya beralih antara bekalan kuasa positif dan negatif untuk menghasilkan kereta api voltan. Bentuk gelombang ini jinak untuk pelesapan kuasa, kerana transistor output mempunyai arus sifar apabila tidak bertukar, dan mempunyai rendahV_Ds Semasa mereka menjalankan semasa, dengan itu memberi lebih kecilI_Ds × V_Ds.

Rajah 2. Kelas D Rajah Blok Open-Loop-amplifier.

Oleh kerana kebanyakan isyarat audio bukan kereta nadi, modulator mesti dimasukkan untuk menukar input audio ke dalam denyutan. Kandungan kekerapan denyutan termasuk kedua-dua isyarat audio yang dikehendaki dan tenaga frekuensi tinggi yang signifikan yang berkaitan dengan proses modulasi. Penapis lulus rendah sering dimasukkan di antara peringkat output dan penceramah untuk meminimumkan gangguan elektromagnet (EMI) dan elakkan memandu penceramah dengan terlalu banyak tenaga frekuensi tinggi. Penapis (Rajah 3) perlu lossless (atau hampir demikian) untuk mengekalkan kelebihan penyebaran kuasa dari peringkat output beralih. Penapis biasanya menggunakan kapasitor dan induktor, dengan satu -satunya elemen dissipative yang sengaja menjadi penceramah.

Rajah 3. Peringkat Output Beralih Beralih dan Penapis Lancar Rendah LC.

Rajah 4 membandingkan pelesapan kuasa peringkat output yang ideal (P_Diss) untuk penguat Kelas A dan Kelas B dengan pelesapan yang diukur untuk penguat kelas AD1994, yang diplot terhadap kuasa yang dihantar kepada pembesar suara (P_Beban), diberi isyarat gelombang sinus audio frekuensi. Nombor kuasa dinormalisasi ke tahap kuasa,P_Bebanmaks, di mana sinus dipotong cukup untuk menyebabkan 10% jumlah distorsi harmonik (THD). Garis menegak menunjukkanP_Bebandi mana kliping bermula.

Rajah 4. Pelepasan kuasa dalam peringkat kelas A, Kelas B, dan Kelas D.

Perbezaan yang ketara dalam pelesapan kuasa dapat dilihat untuk pelbagai beban, terutama pada nilai tinggi dan sederhana. Pada permulaan kliping, pelesapan dalam peringkat output Kelas D adalah kira-kira 2.5 kali kurang daripada Kelas B, dan 27 kali kurang daripada Kelas A. Perhatikan bahawa lebih banyak kuasa dimakan dalam peringkat kelas A daripada yang dihantar kepada pembesar suara-akibat menggunakan arus bias DC yang besar.

Kecekapan kuasa output,Eff, ditakrifkan sebagai

Pada permulaan keratan,Eff= 25% untuk penguat Kelas A, 78.5% untuk penguat Kelas B, dan 90% untuk penguat Kelas D (lihat Rajah 5). Nilai-nilai terbaik untuk Kelas A dan Kelas B adalah yang sering disebut dalam buku teks.

Rajah 5. Kecekapan kuasa Kelas A, Kelas B, dan Kelas D Output Tahap.

Perbezaan dalam pelesapan kuasa dan kecekapan melebar pada tahap kuasa sederhana. Ini penting untuk audio, kerana tahap purata jangka panjang untuk muzik kuat jauh lebih rendah (oleh faktor lima hingga 20, bergantung kepada jenis muzik) daripada tahap puncak serta-merta, yang mendekatiP_Bebanmaks. Oleh itu, untuk penguat audio, [P_Beban = 0.1 × P_Bebanmaks] adalah tahap kuasa purata yang munasabah di mana untuk menilaiP_Diss. Di peringkat ini, pelesapan peringkat output Kelas D adalah sembilan kali kurang daripada Kelas B, dan 107 kali kurang daripada Kelas A.

Untuk penguat audio dengan 10- wP_Bebanmaks, purataP_Bebandaripada 1 W boleh dianggap sebagai tahap pendengaran yang realistik. Di bawah keadaan ini, 282 MW hilang di dalam peringkat output Kelas D, vs 2.53 W untuk Kelas B dan30.2 WUntuk Kelas A. Dalam kes ini, kecekapan Kelas D dikurangkan kepada 78%-dari 90% pada kuasa yang lebih tinggi. Tetapi 78% jauh lebih baik daripada kecekapan kelas B dan kelas A -28% dan 3%, masing -masing.

Perbezaan ini mempunyai akibat penting untuk reka bentuk sistem. Untuk tahap kuasa di atas 1 W, pelesapan tahap output linear yang berlebihan memerlukan langkah-langkah penyejukan yang signifikan untuk mengelakkan pemanasan yang tidak dapat diterima dengan menggunakan papak besar logam sebagai tenggelam haba, atau peminat untuk meniup udara ke atas penguat. Jika penguat dilaksanakan sebagai litar bersepadu, pakej yang dipertingkatkan secara besar -besaran dan mahal mungkin diperlukan untuk memudahkan pemindahan haba. Pertimbangan-pertimbangan ini membebankan produk pengguna seperti TV skrin rata, di mana ruang berada di audio premium atau automotif, di mana trendnya adalah ke arah menjejaki saluran yang lebih tinggi ke dalam ruang tetap.

Untuk tahap kuasa di bawah 1 W, kuasa terbuang boleh menjadi lebih banyak kesukaran daripada penjanaan haba. Jika dikuasakan dari bateri, tahap output linear akan mengalirkan cas bateri lebih cepat daripada reka bentuk Kelas D. Dalam contoh di atas, peringkat output Kelas D menggunakan 2.8 kali kurang bekalan semasa daripada kelas B dan 23.6 kali kurang daripada kelas A-resulting dalam perbezaan besar dalam kehidupan bateri yang digunakan dalam produk seperti telefon bimbit, PDA, dan pemain MP3.

Untuk kesederhanaan, analisis setakat ini telah memberi tumpuan kepada penguatoutputperingkat. Walau bagaimanapun, apabila semua sumber pelesapan kuasa dalam sistem penguat dipertimbangkan, penguat linear dapat membandingkan lebih baik kepada penguat Kelas D pada tahap kuasa output yang rendah. Sebabnya ialah kuasa yang diperlukan untuk menjana dan memodulasi bentuk gelombang pensuisan boleh menjadi signifikan pada tahap yang rendah. Oleh itu, pelesapan yang luas di seluruh sistem penguat AB kelas rendah-ke-moderat yang direka dengan baik dapat menjadikannya kompetitif dengan penguat Kelas D. Pemberhentian kuasa Kelas D tidak dapat disangkal lebih baik untuk julat kuasa output yang lebih tinggi, walaupun.

Terminologi penguat Kelas D, dan perbezaan vs versi tunggal

Rajah 3 menunjukkan pelaksanaan pembezaan transistor output dan penapis LC dalam penguat Kelas D. IniH-Bridgemempunyai duaHalf-BridgeLitar beralih yang membekalkan denyutan polariti bertentangan ke penapis, yang terdiri daripada dua induktor, dua kapasitor, dan pembesar suara. Setiap setengah jambatan mengandungi dua transistor output-transistor tinggi (MH) yang disambungkan ke bekalan kuasa positif, dan transistor rendah (ML) yang disambungkan kepada bekalan negatif. Gambar rajah di sini menunjukkan bahagian tinggipTransistor MOS. TingginTransistor MOS sering digunakan untuk mengurangkan saiz dan kapasitans, tetapi teknik pemacu pintu khas diperlukan untuk mengawalnya (bacaan selanjutnya 1).

Litar Jambatan H penuh biasanya dijalankan dari satu bekalan (v_DD), dengan tanah yang digunakan untuk terminal bekalan negatif (v_Ss). Untuk v yang diberikan_DDdan v_Ss, sifat pembezaan jambatan bermakna ia dapat menyampaikan dua kali isyarat output dan empat kali kuasa output pelaksanaan tunggal. Litar separuh jambatan boleh dikuasakan dari bekalan kuasa bipolar atau bekalan tunggal, tetapi versi bekalan tunggal mengenakan voltan bias DC yang berpotensi berbahaya, v_DD\/2, merentasi penceramah, melainkan jika kapasitor menyekat ditambah.

Bas voltan bekalan kuasa litar separuh jambatan boleh "dipam" di luar nilai nominal mereka dengan arus induktor besar dari penapis LC. DV\/dt dari transien pam boleh dibatasi dengan menambahkan kapasitor decoupling besar antara v_DDdan v_Ss. Litar penuh jambatan tidak menderita mengepam bas, kerana arus induktor mengalir ke salah satu jambatan separuh mengalir keluar dari yang lain, mewujudkan gelung semasa tempatan yang sedikit mengganggu bekalan kuasa.

Faktor dalam Reka Bentuk Penguat Kelas Audio

Pelepasan kuasa yang lebih rendah memberikan motivasi yang kuat untuk menggunakan Kelas D untuk aplikasi audio, tetapi terdapat cabaran penting bagi pereka. Ini termasuk:

Pilihan saiz transistor output

Perlindungan peringkat output

Kualiti bunyi

Teknik modulasi

EMI

Reka bentuk penapis LC

Kos sistem

Pilihan saiz transistor output

Saiz transistor output dipilih untuk mengoptimumkan pelesapan kuasa ke atas pelbagai keadaan isyarat. Memastikan ituV_Dstetap kecil ketika melakukan yang besarI_Ds memerlukan rintangan pada (R_Pada) dari transistor output menjadi kecil (biasanya {{0}}. 1 ohm hingga 0.2 ohm). Tetapi ini memerlukan transistor besar dengan kapasitans pintu yang signifikan (C_G). Litar memandu pintu yang menukar kapasitans menggunakan kuasa-Cv²f, di manaC adalah kapasitans,V Adakah perubahan voltan semasa mengecas, danf adalah kekerapan beralih. Ini "kehilangan beralih" menjadi berlebihan jika kapasitans atau kekerapan terlalu tinggi, jadi had atas praktikal wujud. Oleh itu, pilihan saiz transistor adalah perdagangan antara meminimumkanI_Ds × V_Ds kerugian semasa pengaliran berbanding meminimumkanBeralihkerugian. Kerugian konduktif akan menguasai pelesapan kuasa dan kecekapan pada tahap kuasa output yang tinggi, sementara pelesapan dikuasai dengan menukar kerugian pada tahap output yang rendah. Pengilang transistor kuasa cuba meminimumkanR_Pada × C_G produk peranti mereka untuk mengurangkan pelesapan kuasa keseluruhan dalam menukar aplikasi, dan untuk memberikan fleksibiliti dalam pilihan kekerapan menukar.

Melindungi peringkat output

Tahap output mesti dilindungi dari beberapa keadaan yang berpotensi berbahaya:

Terlalu panas: Pelepasan kuasa peringkat kelas D's, walaupun lebih rendah daripada penguat linear, masih boleh mencapai tahap yang membahayakan transistor output jika penguat terpaksa menyampaikan kuasa yang sangat tinggi untuk masa yang lama. Untuk melindungi terhadap terlalu panas, litar kawalan pemantauan suhu diperlukan. Dalam skim perlindungan yang mudah, peringkat output dimatikan apabila suhunya, seperti yang diukur oleh sensor cip, melebihi aThermal-shutdownAmbang keselamatan, dan disimpan sehingga ia sejuk. Sensor boleh memberikan maklumat suhu tambahan, selain daripada petunjuk binari mudah mengenai sama ada suhu telah melebihi ambang penutupan. Dengan mengukur suhu, litar kawalan secara beransur-ansur dapat mengurangkan tahap kelantangan, mengurangkan pelesapan kuasa dan mengekalkan suhu dengan baik dalam batas-batas memaksa tempoh kesunyian yang dapat dilihat semasa peristiwa shutdown terma.

Aliran semasa yang berlebihan dalam transistor output: Yang rendahpadaRintangan transistor output tidak menjadi masalah jika peringkat output dan terminal pembesar suara disambungkan dengan betul, tetapi arus besar boleh menyebabkan jika nod ini secara tidak sengaja disiram pendek satu sama lain, atau bekalan kuasa positif atau negatif. Sekiranya tidak terkawal, arus tersebut boleh merosakkan transistor atau litar sekitarnya. Akibatnya, litar perlindungan output-transistor semasa diperlukan. Dalam skim perlindungan mudah, peringkat output dimatikan jika arus output melebihi ambang keselamatan. Dalam skim yang lebih canggih, output sensor semasa dimasukkan ke dalam pencarian penguat untuk mengehadkan arus output ke tahap selamat maksimum, sambil membenarkan penguat berjalan secara berterusan tanpa menutup. Dalam skim ini, penutupan boleh dipaksa sebagai usaha terakhir jika percubaan yang dibatasi membuktikan tidak berkesan. Pembatasan semasa yang berkesan juga boleh memastikan penguat berjalan dengan selamat di hadapan arus sementara yang besar kerana resonans pembesar suara.

Undervoltage: Kebanyakan litar peringkat output beralih berfungsi dengan baik hanya jika voltan bekalan kuasa positif cukup tinggi. Hasil masalah jika adaUndervoltagekeadaan, di mana bekalan terlalu rendah. Isu ini biasanya dikendalikan olehLockout Undervoltagelitar, yang membenarkan peringkat output hanya beroperasi jika voltan bekalan kuasa berada di atas ambang undervoltage-lockout.

Output Transistor Turn-On Waktu: Transistor peringkat output MH dan ML (Rajah 6) sangat rendahpadarintangan. Oleh itu, penting untuk mengelakkan situasi di mana kedua-dua MH dan ML pada masa yang sama, kerana ini akan mewujudkan jalan rintangan rendah dari v_DDke v_Ssmelalui transistor dan besarmenembaksemasa. Pada masa yang terbaik, transistor akan memanaskan dan membazir kuasa; Paling teruk, transistor mungkin rosak.Break-before-MakeKawalan transistor menghalang keadaan menembak dengan memaksa kedua-dua transistor sebelum menghidupkannya. Selang waktu di mana kedua -dua transistor tidak dipanggilMasa tidak bergerakatauMasa mati.

Rajah 6. Break-sebelum-make-make switching output-stage transistors.

Kualiti bunyi

Beberapa isu mesti ditangani untuk mencapai kualiti bunyi keseluruhan yang baik dalam penguat Kelas D.

Klik dan pop, yang berlaku apabila penguat menghidupkan atau mematikan boleh menjadi sangat menjengkelkan. Malangnya, mereka mudah diperkenalkan ke dalam penguat Kelas D kecuali perhatian yang teliti dibayar kepada keadaan modulator, masa output tahap, dan keadaan penapis LC apabila penguatnya disenyapkan atau tidak dimatikan.

Nisbah isyarat-ke-bunyi (SNR):Untuk mengelakkan desis yang boleh didengar dari lantai bunyi penguat, SNR biasanya melebihi 90 dB dalam penguat kuasa rendah untuk aplikasi mudah alih, 100 dB untuk reka bentuk kuasa sederhana, dan 110 dB untuk reka bentuk kuasa tinggi. Ini boleh dicapai untuk pelbagai pelaksanaan penguat, tetapi sumber bunyi individu mesti dikesan semasa reka bentuk penguat untuk memastikan SNR keseluruhan yang memuaskan.

Mekanisme Penyimpangan:Ini termasuk nonlinearities dalam teknik modulasi atau pelaksanaan modulator-dan masa mati yang digunakan dalam peringkat output untuk menyelesaikan masalah semasa menembak.

Maklumat mengenai tahap isyarat audio biasanya dikodkan dalam lebar pulsa output modulator Kelas D. Menambah masa mati untuk mengelakkan arus menembak peringkat output memperkenalkan kesilapan masa tak linear, yang menimbulkan gangguan pada pembesar suara mengikut kesilapan masa berhubung dengan lebar nadi yang ideal. Masa mati terpendek yang mengelakkan tembakan sering kali paling baik untuk meminimumkan penyimpangan; Lihat Bacaan Lanjut 2 untuk kaedah reka bentuk terperinci untuk mengoptimumkan prestasi penyimpangan peringkat output beralih.

Sumber-sumber penyimpangan lain termasuk: ketidakcocokan kenaikan dan masa jatuh dalam denyutan output, ketidakcocokan dalam ciri-ciri masa untuk litar pemacu pintu transistor output, dan tidak linear dalam komponen penapis lulus rendah LC.

Penolakan bekalan kuasa (PSR):Dalam litar Rajah 2, pasangan bunyi bekalan kuasa hampir langsung kepada penceramah dengan penolakan yang sangat sedikit. Ini berlaku kerana transistor peringkat output menghubungkan bekalan kuasa ke penapis lulus rendah melalui rintangan yang sangat rendah. Penapis menolak bunyi frekuensi tinggi, tetapi direka untuk lulus semua frekuensi audio, termasuk bunyi bising. Lihat bacaan selanjutnya 3 untuk penerangan yang baik tentang kesan bunyi bekalan kuasa dalam litar tahap output tunggal dan pembezaan.

Sekiranya tidak ada masalah distorsi atau bekalan kuasa ditangani, sukar untuk mencapai PSR lebih baik daripada 1 0 db, atau jumlah distorsi harmonik (THD) lebih baik daripada 0.1%. Lebih buruk lagi, THD cenderung menjadi jenis pesanan tinggi yang tidak baik.

Nasib baik, terdapat penyelesaian yang baik untuk isu -isu ini. Menggunakan maklum balas dengan keuntungan gelung yang tinggi (seperti yang dilakukan dalam banyak reka bentuk penguat linear) membantu banyak. Maklum balas daripada input penapis LC akan meningkatkan PSR dan melemahkan semua mekanisme penyimpangan bukan LC. Nonlineariti penapis LC boleh dilemahkan dengan memasukkan penceramah dalam gelung maklum balas. Kualiti bunyi gred audiophile dengan PSR> 6 0 dB dan THD <0.01% boleh dicapai dalam penguat kelas tertutup tertutup yang direka dengan baik.

Maklum balas merumitkan reka bentuk penguat, bagaimanapun, kerana kestabilan gelung mesti ditangani (pertimbangan nontrivial untuk reka bentuk pesanan tinggi). Juga, maklum balas analog berterusan masa diperlukan untuk menangkap maklumat penting mengenai kesilapan masa nadi, jadi gelung kawalan mesti termasuk litar analog untuk memproses isyarat maklum balas. Dalam pelaksanaan penguat litar bersepadu, ini boleh menambah kos mati.

Untuk meminimumkan kos IC, sesetengah vendor lebih suka meminimumkan atau menghapuskan kandungan litar analog. Sesetengah produk menggunakan modulator gelung terbuka digital, ditambah dengan penukar analog-ke-digital untuk merasakan variasi bekalan kuasa-dan menyesuaikan tingkah laku modulator untuk mengimbangi, seperti yang dicadangkan dalam bacaan selanjutnya. Modulator digital lain cuba untuk mendahului untuk kesilapan masa tahap output yang dijangkakan, atau betul untuk pengubahsuaian modulator. Ini sekurang -kurangnya boleh sebahagiannya menangani beberapa mekanisme penyelewengan, tetapi tidak semua. Aplikasi yang bertolak ansur dengan keperluan kualiti bunyi yang cukup santai dapat dikendalikan oleh penguat kelas D-loop Class ini, tetapi beberapa bentuk maklum balas nampaknya diperlukan untuk kualiti audio yang terbaik.

Teknik modulasi

Modulator Kelas D boleh dilaksanakan dalam banyak cara, disokong oleh sejumlah besar penyelidikan dan harta intelektual yang berkaitan. Artikel ini hanya akan memperkenalkan konsep asas.

Semua teknik modulasi Kelas D mengodkan maklumat mengenai isyarat audio ke dalam aliran denyutan. Umumnya, nadilebardikaitkan dengan amplitud isyarat audio, dan spektrum denyutan termasuk isyarat audio yang dikehendaki ditambah kandungan frekuensi tinggi yang tidak diingini (tetapi tidak dapat dielakkan). Jumlah kuasa frekuensi tinggi bersepadu dalam semua skim adalah kira-kira sama, kerana jumlah kuasa dalam bentuk gelombang domain masa adalah sama, dan oleh teorem Parseval, kuasa dalam domain masa mestilah sama kuasa dalam domain kekerapan. Walau bagaimanapun, pengedaran tenaga berbeza -beza: Dalam beberapa skim, terdapat nada tenaga yang tinggi di atas lantai bunyi yang rendah, sementara dalam skim lain, tenaga dibentuk supaya nada dihapuskan tetapi lantai bunyi lebih tinggi.

Teknik modulasi yang paling biasa adalahModulasi lebar pulse(PWM). Secara konseptual, PWM membandingkan isyarat audio input kepada bentuk gelombang segi tiga atau ramping yang berjalan pada tahap tetappembawakekerapan. Ini menghasilkan aliran denyutan pada kekerapan pembawa. Dalam setiap tempoh pembawa, nisbah duti nadi PWM adalah berkadar dengan amplitud isyarat audio. Dalam contoh Rajah 7, input audio dan gelombang segitiga kedua -duanya berpusat di sekitar 0 V, supaya untuk 0 input, nisbah tugas denyutan output adalah 5 0%. Untuk input positif yang besar, ia hampir 100%, dan ia hampir 0% untuk input negatif yang besar. Sekiranya amplitud audio melebihi gelombang segitiga,modulasi penuhberlaku, di mana kereta api denyut berhenti bertukar, dan nisbah tugas dalam tempoh individu adalah sama ada 0% atau 100%.

Rajah 7. Konsep dan contoh PWM.

PWM menarik kerana ia membolehkan 100- db atau snr-band audio yang lebih baik pada frekuensi pembawa PWM beberapa ratus kilohertz-rendah cukup untuk mengehadkan kerugian beralih dalam peringkat output. Selain itu, banyak modulator PWM stabil sehingga hampir 100% modulasi, dalam konsep yang membenarkan kuasa output yang tinggi sehingga titik beban. Walau bagaimanapun, PWM mempunyai beberapa masalah: Pertama, proses PWM secara semulajadi menambah herotan dalam banyak pelaksanaan (bacaan selanjutnya 4); Seterusnya, harmonik kekerapan pembawa PWM menghasilkan EMI dalam band radio AM; Dan akhirnya, lebar nadi PWM menjadi sangat kecil berhampiran modulasi penuh. Ini menyebabkan masalah dalam kebanyakan litar pemandu gerbang output-output-dengan keupayaan pemacu terhad mereka, mereka tidak dapat beralih dengan betul pada kelajuan yang berlebihan yang diperlukan untuk menghasilkan semula denyutan pendek dengan lebar beberapa nanodetik. Oleh itu, modulasi penuh sering tidak dapat dicapai dalam penguat berasaskan PWM, mengehadkan kuasa output maksimum yang boleh dicapai kepada sesuatu yang kurang daripada maksimum teori-yang hanya menganggap voltan bekalan kuasa, transistorpadarintangan, dan impedans pembesar suara.

Alternatif kepada PWM adalahmodulasi kepadatan nadi(PDM), di mana bilangan denyutan dalam tetingkap masa tertentu adalah berkadar dengan nilai purata isyarat audio input. Lebar nadi individu tidak boleh sewenang -wenangnya seperti dalam PWM, tetapi sebaliknya "kuantitatif" kepada gandaan tempoh jam modulator. 1- Bit Sigma-Delta Modulation adalah bentuk PDM.

Kebanyakan tenaga frekuensi tinggi di Sigma-delta diedarkan ke atas pelbagai frekuensi-tidak tertumpu pada nada pada gandaan kekerapan pembawa, seperti dalam modulasi Sigma-Delta yang menyediakan PWM dengan kelebihan EMI yang berpotensi berbanding PWM. Tenaga masih wujud pada imej kekerapan jam pensampelan PDM; Tetapi dengan frekuensi jam biasa dari 3 MHz hingga 6 MHz, imej berada di luar jalur frekuensi audio-dan sangat dilemahkan oleh penapis rendah LC.

Satu lagi kelebihan sigma-delta ialah lebar nadi minimum adalah satu tempoh persampelan, walaupun untuk keadaan isyarat yang menghampiri modulasi penuh. Ini memudahkan reka bentuk pemandu gerbang dan membolehkan operasi yang selamat untuk kuasa penuh teori. Walau bagaimanapun 1- bit modulasi sigma-delta tidak sering digunakan dalam penguat kelas D (bacaan selanjutnya 4) kerana modulator bit konvensional 1- hanya stabil hingga modulasi 50%. Selain itu, sekurang-kurangnya 64 × oversampling diperlukan untuk mencapai SNR audio-band yang mencukupi, jadi kadar data output tipikal sekurang-kurangnya 1 MHz dan kecekapan kuasa adalah terhad.

Baru -baru ini,diri sendiriPenguat telah dibangunkan, seperti yang ada dalam bacaan selanjutnya 5. Penguat jenis ini selalu termasuk gelung maklum balas, dengan sifat gelung yang menentukan kekerapan penukaran modulator, bukannya jam yang disediakan secara luaran. Tenaga frekuensi tinggi sering diedarkan lebih merata daripada PWM. Kualiti audio yang sangat baik adalah mungkin, terima kasih kepada maklum balas, tetapi gelung itu adalah oscillating diri, jadi sukar untuk disegerakkan dengan mana-mana litar pensuisan lain, atau untuk menyambung ke sumber audio digital tanpa pertama menukar digital ke analog.

Litar penuh jambatan (Rajah 3) boleh menggunakan modulasi "3-" untuk mengurangkan EMI yang berbeza. Dengan operasi pembezaan konvensional, polaritas output setengah jambatan A mestilah bertentangan dengan setengah jambatan B. Hanya dua negara operasi pembezaan wujud: output tinggi dengan output b rendah; dan rendah dengan B tinggi. Dua keadaan mod biasa tambahan wujud, bagaimanapun, di mana kedua-dua output separuh jambatan adalah polariti yang sama (kedua-duanya tinggi atau kedua-duanya rendah). Salah satu daripada inimod biasaNegara -negara boleh digunakan bersamaan dengan keadaan pembezaan untuk menghasilkan {0}} modulasi keadaan di mana input pembezaan ke penapis LC boleh positif, 0, atau negatif. Keadaan 0 boleh digunakan untuk mewakili tahap kuasa yang rendah, bukannya beralih antara keadaan positif dan negatif seperti dalam skema keadaan 2-. Aktiviti pembezaan yang sangat sedikit berlaku dalam penapis LC semasa keadaan 0, mengurangkan EMI perbezaan, walaupun sebenarnya meningkatkan EMI mod biasa. Manfaat pembezaan hanya digunakan pada tahap kuasa yang rendah, kerana keadaan positif dan negatif masih harus digunakan untuk memberikan kuasa yang signifikan kepada penceramah. Tahap voltan mod biasa yang berbeza-beza dalam skim modulasi keadaan 3- memberikan cabaran reka bentuk untuk penguat gelung tertutup.

Taming EMI

Komponen frekuensi tinggi Output penguat Kelas D merit pertimbangan yang serius. Sekiranya tidak difahami dan diuruskan dengan betul, komponen -komponen ini dapat menghasilkan sejumlah besar EMI dan mengganggu operasi peralatan lain.

Dua jenis EMI adalah kebimbangan: isyarat yang dipancarkan ke ruang angkasa dan yang dijalankan melalui wayar pembesar suara dan bekalan kuasa. Skim modulasi Kelas D menentukan aBaselineSpektrum komponen EMI yang dijalankan dan dipancarkan. Walau bagaimanapun, beberapa teknik reka bentuk peringkat papan boleh digunakan untuk mengurangkan EMI yang dipancarkan oleh penguat Kelas D, walaupun spektrum asasnya.

Prinsip yang berguna adalah untuk meminimumkan kawasan gelung yang membawa arus frekuensi tinggi, kerana kekuatan EMI yang berkaitan berkaitan dengan kawasan gelung dan kedekatan gelung ke litar lain. Sebagai contoh, keseluruhan penapis LC (termasuk pendawaian pembesar suara) harus dibentangkan sebaik mungkin, dan terus dekat dengan penguat. Jejak untuk pemacu semasa dan laluan kembali harus disimpan bersama untuk meminimumkan kawasan gelung (menggunakan pasangan berpintal untuk wayar penceramah adalah membantu). Satu lagi tempat untuk fokus adalah pada transien caj besar yang berlaku semasa menukar kapasitans pintu transistor stage output. Umumnya caj ini berasal dari atakungankapasitans, membentuk gelung semasa yang mengandungi kedua -dua kapasitans. Impak EMI transien dalam gelung ini boleh dikurangkan dengan meminimumkan kawasan gelung, yang bermaksud meletakkan kapasitans reservoir sedekat mungkin ke transistor (s) yang dikenakan.

Kadang -kadang berguna untuk memasukkan cawangan RF secara siri dengan bekalan kuasa untuk penguat. Diletakkan dengan betul, mereka boleh mengurung arus sementara frekuensi tinggi ke gelung tempatan berhampiran penguat, bukannya dijalankan untuk jarak jauh ke bawah wayar bekalan kuasa.

Sekiranya masa nonoverlap memandu pintu adalah sangat panjang, arus induktif dari penapis pembesar suara atau LC boleh diod parasit ke hadapan pada terminal transistor peringkat output. Apabila masa nonoverlap berakhir, bias pada diod berubah dari ke hadapan ke belakang. Seramai pangkal pemulihan yang besar boleh mengalir sebelum diod sepenuhnya dimatikan, mewujudkan sumber EMI yang menyusahkan. Masalah ini boleh diminimumkan dengan mengekalkan masa nonoverlap sangat pendek (juga disyorkan untuk meminimumkan penyelewengan audio). Sekiranya tingkah laku pemulihan terbalik masih tidak dapat diterima, diod Schottky boleh dipadankan dengan diod parasit transistor, untuk mengalihkan arus dan mencegah diod parasit dari yang pernah dihidupkan. Ini membantu kerana persimpangan logam-semikonduktor diod Schottky secara intrinsik kebal terhadap kesan pemulihan semula.

Penapis LC dengan teras induktor toroidal dapat meminimumkan garis medan liar yang disebabkan oleh arus penguat. Radiasi dari yang lebih murahgendangCores boleh dikurangkan dengan melindungi, kompromi yang baik antara kos dan prestasi EMI-jika penjagaan diambil untuk memastikan bahawa perisai tidak dapat diterima secara tidak langsung merendahkan linearity induktor dan kualiti bunyi di pembesar suara.

Reka bentuk penapis LC

Untuk menjimatkan ruang dan ruang papan, kebanyakan penapis LC untuk penguat Kelas D adalah pesanan kedua, reka bentuk rendah. Rajah 3 menggambarkan versi pembezaan penapis LC pesanan kedua. Penceramah berfungsi untuk mengurangkan resonans litar yang wujud. Walaupun impedans pembesar suara kadang -kadang dianggarkan sebagai rintangan yang mudah, impedans sebenar lebih kompleks dan mungkin termasuk komponen reaktif yang signifikan. Untuk hasil terbaik dalam reka bentuk penapis, seseorang harus sentiasa berusaha menggunakan model penceramah yang tepat.

Pilihan reka bentuk penapis yang biasa adalah untuk tujuan jalur lebar terendah yang manadroopDalam tindak balas penapis pada frekuensi minat audio tertinggi diminimumkan. Penapis tipikal mempunyai respons 40- kHz Butterworth (untuk mencapai jalur pas maksimum rata), jika droop kurang dari 1 dB dikehendaki untuk frekuensi sehingga 20 kHz. Nilai komponen nominal dalam jadual memberi anggaran tindak balas Butterworth untuk impedans pembesar suara biasa dan nilai L dan C standard:

Jika reka bentuk tidak termasuk maklum balas daripada penceramah, THD pada pembesar suara akan sensitif terhadap linearity komponen penapis LC.

Faktor reka bentuk induktor:Faktor penting dalam merancang atau memilih induktor termasuk penarafan dan bentuk semasa teras, dan rintangan penggulungan.

Penilaian semasa: Inti yang dipilih harus mempunyai penarafan semasa di atas arus penguat yang diharapkan tertinggi. Alasannya ialah banyak teras induktor secara magnetik akan menembusi jika arus melebihi ambang penarafan semasa dan ketumpatan fluks menjadi terlalu tinggi dalam pengurangan induktansi drastik yang tidak diingini.

Induktansi dibentuk dengan membungkus dawai di sekitar teras. Sekiranya terdapat banyak giliran, rintangan yang dikaitkan dengan jumlah panjang wayar adalah signifikan. Oleh kerana rintangan ini adalah siri antara jambatan separuh dan penceramah, beberapa kuasa output akan hilang di dalamnya. Jika rintangan terlalu tinggi, gunakan dawai tebal atau tukar teras ke bahan yang berbeza yang memerlukan sedikit giliran wayar untuk memberikan induktansi yang dikehendaki.

Akhirnya, tidak boleh dilupakan bahawa bentuk induktor yang digunakan boleh menjejaskan EMI, seperti yang dinyatakan di atas.

Kos sistem

Apakah faktor penting dalam kos keseluruhan sistem audio yang menggunakan penguat Kelas D? Bagaimanakah kita dapat meminimumkan kos?

TheaktifKomponen penguat Kelas D ialah tahap output dan modulator. Litar ini boleh dibina untuk kira -kira kos yang sama sebagai penguat linear analog. Perdagangan sebenar berlaku apabila mempertimbangkan komponen sistem lain.

Pelepasan kelas D yang lebih rendah menjimatkan kos (dan ruang) alat penyejuk seperti tenggelam panas atau peminat. Penguat litar bersepadu kelas D mungkin dapat menggunakan pakej yang lebih kecil dan lebih murah daripada yang mungkin untuk linear. Apabila didorong dari sumber audio digital, penguat linear analog memerlukan penukar D\/A (DACs) untuk menukar audio ke dalam bentuk analog. Ini juga berlaku untuk penguat kelas DALL-input analog, tetapi jenis input digital berkesan mengintegrasikan fungsi DAC.

Sebaliknya, kelemahan kos utama Kelas D ialah penapis LC. Komponen-terutamanya ruang papan induktor-occupy dan menambah perbelanjaan. Dalam penguat kuasa tinggi, kos sistem keseluruhan masih kompetitif, kerana kos penapis LC diimbangi oleh penjimatan besar dalam alat penyejuk. Tetapi dalam aplikasi yang sensitif, kuasa rendah, perbelanjaan induktor menjadi berat. Dalam kes -kes yang melampau, seperti penguat murah untuk telefon bimbit, penguat IC boleh lebih murah daripada jumlah penapis LC. Juga, walaupun kos kewangan diabaikan, ruang lembaga yang diduduki oleh penapis LC boleh menjadi masalah dalam aplikasi faktor bentuk kecil.

Untuk menangani kebimbangan ini, penapis LC kadang -kadang dihapuskan sepenuhnya, untuk membuat atanpa penapispenguat. Ini menjimatkan kos dan ruang, walaupun kehilangan manfaat penapisan rendah. Tanpa penapis, EMI dan pelesapan kuasa frekuensi tinggi dapat meningkatkan yang tidak dapat diterima-pembicara adalah induktif dan disimpan sangat dekat dengan penguat, kawasan gelung semasa adalah minimum, dan tahap kuasa disimpan rendah. Walaupun sering mungkin dalam aplikasi mudah alih seperti telefon bimbit, ia tidak boleh dilaksanakan untuk sistem kuasa tinggi seperti stereo rumah.

Pendekatan lain adalah untuk meminimumkan bilangan komponen penapis LC yang diperlukan setiap saluran audio. Ini boleh dicapai dengan menggunakan peringkat output setengah jambatan tunggal, yang memerlukan separuh bilangan LS dan CS yang diperlukan untuk litar pembezaan penuh. Tetapi jika setengah jambatan memerlukan bekalan kuasa bipolar, perbelanjaan yang berkaitan dengan menjana bekalan negatif mungkin larangan, melainkan bekalan negatif sudah ada untuk tujuan lain-atau penguat mempunyai saluran audio yang cukup, untuk melunaskan kos bekalan negatif. Sebagai alternatif, setengah jambatan boleh dikuasakan dari satu bekalan, tetapi ini mengurangkan kuasa output dan sering memerlukan kapasitor menghalang DC yang besar.

Peranti Analog Penguat Kelas D

Semua cabaran reka bentuk yang baru dibincangkan boleh menambah projek yang agak menuntut. Untuk menjimatkan masa untuk pereka, peranti analog menawarkan pelbagai litar bersepadu penguat Kelas D, menggabungkan penguat, modulator, dan peringkat output kuasa yang boleh diprogramkan. Untuk memudahkan penilaian, papan demonstrasi tersedia untuk setiap jenis penguat untuk memudahkan penilaian. Tata letak PCB dan bahan-bahan untuk setiap papan ini berfungsi sebagai reka bentuk rujukan yang boleh dilaksanakan, membantu pelanggan dengan cepat merancang kerja, sistem audio kos efektif tanpa perlu "mencipta semula roda" untuk menyelesaikan cabaran reka bentuk penguat kelas utama.

Pertimbangkan, sebagai contoh, AD1990, AD1992, dan AD 1994- keluarga ICS dwi-amplifier, yang disasarkan pada aplikasi stereo atau mono yang sederhana yang memerlukan dua saluran dengan output-per-saluran sehingga 5- Berikut adalah beberapa sifat ICS ini:

Penguat kuasa audio Kelas D AD1994 menggabungkan dua penguat yang boleh diprogramkan, dua modulator Sigma-Delta, dan dua peringkat output kuasa untuk memacu beban penuh H-Bridge yang terikat di teater rumah, automotif, dan aplikasi audio PC. Ia menjana bentuk gelombang beralih yang boleh memacu pembesar suara stereo sehingga 25 W setiap pembesar suara, atau pembesar suara tunggal kepada 50 W monophonic, dengan kecekapan 90%. Input tunggalnya digunakan untuk penguat yang boleh diprogramkan (PGA) dengan keuntungan yang diselesaikan untuk 0-, 6-, 12-, dan 18 dB, untuk mengendalikan isyarat peringkat rendah.

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, menggunakan maklum balas analog berterusan masa dari peringkat output beralih dan pemacu gerbang peringkat output yang dioptimumkan. ITS 1- bit modulator Sigma-Delta terutamanya dipertingkatkan untuk aplikasi Kelas D untuk mencapai frekuensi data purata 500 kHz, dengan keuntungan gelung yang tinggi hingga modulasi 90%, dan kestabilan untuk modulasi penuh. AmandiriMod modulator membolehkannya memacu FET luaran untuk kuasa output yang lebih tinggi.

Ia menggunakan bekalan {{0}} untuk PGA, modulator, dan logik digital, dan bekalan voltan tinggi dari 8 V hingga 20 V untuk peringkat output beralih. Reka bentuk rujukan yang berkaitan memenuhi keperluan FCC Class B EMI. Semasa memandu 6 ohm beban dengan 5- v dan 12- v bekalan, AD1994 menghilangkan 487 mw secara terperinci, 710 mW pada tahap output 2 × {11}}, dan 0.27 mW dalamkuasa-bawahmod. Tersedia dalam pakej LFCSP 64-, ia ditentukan dari -40 darjah ke +85 darjah

Lebih banyak maklumat teknikal mengenai penguat Kelas D termasuk pelaksanaan dengan pemproses Blackfin boleh didapati di bahagian bacaan selanjutnya.