D-class усилвател. Аудио усилвател за автомобили

Технологията за усилване на звуковите сигнали се развива от 15 до 20 години. Тя има доста предимства пред тази, която се прилага в широко разпространените аудио усилватели клас А или AB. Имаме предвид D-class усилвателя. Предимството му се дължи главно на високата му ефективност.

Класове усилватели за автомобили

Автомобилен аудио усилвател, работещ в клас А, се състои от транзисторни етапи, които се включват (провеждат) както по време на цялата продължителност на входния аудио сигнал, така и в неговото отсъствие. Той има ниско ниво на изкривяване на усиления аудио изходен сигнал, тъй като неговите транзистори работят на линейни участъци от техните характеристики и напълно преобразуват входните сигнали към изхода на веригата, но в същото време има много ниска ефективност. Тези устройства обикновено са предназначени за висококачествени аудио приложения, за които проблемите със загубата на мощност не са решаващи. Усилвателните транзистори от клас B провеждат само отрицателни или положителни полуволни на входния сигнал. Освен това, наличието на мъртви зони в близост до нулевата маркировка води до високо ниво на изкривяване. Този ефект обаче осигурява много по-добри характеристики, отколкото при устройства от тип А. Усилвателят от клас AB съчетава характеристиките на двете предишни с цел да се постигне по-добра ефективност, отколкото в клас А, но по-малко изкривяване, отколкото при тип В. Въпреки че тези устройства са подходящи за устройства с ниска мощност, или в най-добрия случай на средна мощност, тенденцията от последните години е освобождаването на все по-мощни усилватели. Веднъж 30 вата се смятаха за достатъчно задоволителни, за да задоволят повечето от потребителите. Сега това едва ли е достатъчно, за да се създаде висококачествен стерео аудио усилвател за автомобили. В резултат на това бяха създадени новите им класове, включително клас D, за да се справят с тази висока консумация на енергия.

Какви са предимствата на устройствата от клас D?

Архитектурата им е напълно различна от усилвателите от другите класове, изброени по-горе, и е подобна на импулсната източници на енергия (UPS). Усилвателят D-Class също се основава на използването на високочестотна импулсно-широчинна модулация (PWM или PWM) за създаване на изходен сигнал. Неговите транзистори са или напълно включени (падането на напрежението върху тях е много малко), или напълно изключени (токът през тях е близо до нула). И в двата случая силата на електрическите загуби (продуктът на тока и падането на напрежението) е много малка и те като правило губят много по-малко енергия под формата на топлина. Така, тази архитектура е добре изпълнена на базата на много малки и икономически ефективни MOS транзистори. Усилвателят D-Class може да постигне много високо ниво на енергийна ефективност, което води до значителни икономии на енергия от източника на енергия. Въпреки това, преобразуването на входния аудио сигнал в PWM сигнал, придружен от неговото квантуване, може да предизвика повече изкривявания на изхода, отколкото в усилвател с различна архитектура. Целта на създаването на устройства от този клас е да се намали изкривяването при ниски нива, като същевременно се запази висока енергийна ефективност.

Сравнение на ефективността на усилвателите от различни класове

Фигурата по-долу показва типична зависимост на ефективността от изходната мощност за устройства от класове D и AB. Теоретичната максимална ефективност в D-класата достига 100%, а над 90% е постижима на практика. Имайте предвид, че той достига 90% вече при умерена изходна мощност, докато максималната ефективност в клас AB при 78% се получава само при пълна мощност. В практическата печалба на музикалните сигнали, ефективността е по-малка от 50%. Звуков усилвател клас D с висока ефективност консумира по-малко енергия за дадена изходна мощност, но по-важното е, че изискванията за радиатора са драстично намалени. Всеки, който е изградил или видял мощен аудио усилвател, вероятно знае, че големите алуминиеви радиатори са необходими за поддържане на относително ниската температура на електрониката.

Зареждане на силов трансформатор също намалява значително количество, което позволява използването на по-малкия му размер за една и съща мощност. Мога ли да построя усилвател клас D със собствените си ръце?

Фигурата по-долу показва такова устройство с 400 вата. Квалифициран радиолюбител няма да види нищо в този дизайн, което да го принуди да изостави почерка си.

Зона на първоначално ползване

Ако се вникнете в детайлите на тази технология, ще забележите, че един добър (ниско изкривяване, пълна гама) D-Class усилвател на мощност трябва да работи на доста високи честоти, в диапазона от 100 kHz до 1 MHz, използвайки високоскоростни сигнални устройства и подходящи източници на енергия. , Първоначално това доведе до използването на този клас, където не се изисква пълна честотна лента и е позволено по-високо ниво на изкривяване, т.е. в събуфери и устройства за промишлена употреба.

С течение на времето обаче всичко се е променило и благодарение на днешните високоскоростни транзисторни превключватели, използването на усъвършенствана технология за обратна връзка, устройства от клас D могат да бъдат разработени за всякакви приложения, включително аудио усилвател в автомобил. Те се характеризират с високо ниво на мощност, малък размер и ниско изкривяване, сравнимо с добър клас AB дизайн.

Клас D усилвател: структурна схема

Тя може да бъде реализирана в аналогова или цифрова форма. Аналоговата версия обикновено се състои от компаратор, триъгълен генератор на сигнали и няколко блока за преобразуване на входния сигнал преди да се приложи към изходните MOSFET транзистори. Схемата на такъв аудио усилвател е показана на фигурата по-долу. Аудио сигналът първо се превръща в импулсно-модулиран (съкратен PWM). Подобно на сигналите в схемите на цифровите устройства, които приемат само две нива - логически 1 и 0, то има само две нива - високо и ниско. Въпреки това, променливото ниво на входния аудио сигнал се съдържа в неговия параметър, като например продължителността на импулса. Колкото по-голям е входният сигнал, толкова по-къс е импулсът. Разбира се, подобна подмяна на аналогов сигнал, способен да приеме безкраен брой стойности във всеки интервал от импулсната ширина на PWM сигнала, само една стойност от тази продължителност води до загуба на информация. Но колкото по-голяма е честотата на повторение на пулса, толкова по-точно звукът се възпроизвежда впоследствие. Как точно го усилвател клас D го трансформира? Веригата съдържа изходен етап полеви транзистори показани отделно на изображението по-долу. Те усилват входните импулси, без да въвеждат почти никакво изкривяване в тяхната форма. Усилваният PWM сигнал, преминаващ по-нататък през изходния нискочестотен филтър, отново се превръща в аналогова форма, представяйки усиления входен сигнал.

Още веднъж за мощността, разсейвана от изходните транзистори

Един прост аудио усилвател (клас А или АВ) има поне едно от изходните устройства (под формата на биполярен или полеви транзистор), което провежда ток по всяко време. Сегашната ми тече през него преминава през колектор-емитер кръстовище (или източник-източник), където има някои спад на напрежението U. Дори ако няма изходен сигнал, малко количество ток трябва да тече през транзистора. Тъй като стойността P = U * I определя разсейваната мощност, настъпва известно разсейване по него. Тъй като изходното напрежение се увеличава, нивото на заряда на транзистора ще спадне, но токът ще се увеличи. При насищане (прекъсване) напрежението между колектора и излъчвателя (източник източник) ще бъде ниско, но настоящият ток ще стане доста висок. Обратно, при ниско ниво на изходната мощност, токът е малък, но голям спад на напрежението. Това води до крива на разсейване на мощността, която зависи нелинейно от изходната мощност. Налице е ненулева минимална разсейване на топлината (минимална ефективност) и точка, при която се постига ефективност от около 78% в устройство от чист клас АВ и 25% или по-малко в клас А.

Опростеният звуков усилвател клас D, от друга страна, основава работата си върху превключване на изходния транзистор между две състояния, а именно “On” и “Off”. Преди да обсъдим специфичните детайли на веригите, можем да кажем, че определено количество ток преминава през устройството към състоянието "On", докато теоретично при преход на източник източник, напрежението, захранвано от източника на захранване, практически не спада (да, почти всяко устройство) D използва MOS транзистори), следователно, разсейваната мощност е теоретично нула. В изключено състояние, спадът на напрежението ще бъде равен на пълното захранващо напрежение, така че транзисторът е като отворена секция, през която токът не тече (което е много близо до реалността).

Какво е PWM сигнал?

Изходните транзистори на D-class усилвателя могат да създават на изхода на усилвателя само две нива на напрежение, съответстващи на двете гореспоменати състояния. В този случай синусоидата не може да бъде представена от тези две възможни нива. В действителност, аудио сигналът модулира продължителността на изходните правоъгълни импулси, които продължават от едно състояние на транзистора към друг, така че информацията за нея все още се съхранява. Сега трябва да разберем как се извършва тази модулация и как да възстановим усиления звуков сигнал от импулса. Най-често използваният метод в устройствата от клас D е PWM с квадратни вълни. Въпреки че скоростта на повторение на последната е фиксирана, тяхната продължителност варира в зависимост от входния аудио сигнал. По този начин, когато входният сигнал се увеличава, продължителността на импулса се увеличава и паузите между тях се намаляват и обратно.

Схема за генериране на PWM сигнал

Обикновено се генерира чрез сравняване на входния сигнал с триъгълния импулсен влак. И двата сигнала се подават на входа на компаратора, както е показано на фигурата по-долу. Триъгълните импулси определят амплитудата на входния аудио сигнал за пълна модулация и честотата на превключване на изходните транзистори. "Цифровият" изход за сравнение използва стандартни логически нива, където 0 V съответства на логическа нула, а 5 V съответства на логическа. Поради тази квази-дигитализация на PWM сигнала усилвателите, които го използват, понякога се наричат ​​погрешно цифрови усилватели. Всъщност целият процес е по-аналогов, отколкото цифров. Най-вероятно PWM сигналът може да се отдаде на дискретни сигнали, а честотата на повторение на импулсите е честотата на дискретизация на оригиналния аналогов сигнал.

Как се генерира PWM сигнала

Фигурата по-долу илюстрира как един аудио сигнал се превръща в PWM форма, използвайки компаратор, който сравнява аудио сигнал, състоящ се от синусоидални хармонични вълни с относително ниска честота с триъгълен сигнал с много по-висока честота. На изхода на компаратора се формира високо ниво, ако моментното напрежение на триъгълната вълна е по-ниско от това на звуковия сигнал, или ниско, ако е по-високо. Логиката на тази трансформация може да бъде обратна. Тогава се формира високо ниво, ако триъгълният сигнал превишава синусоидалния сигнал, и ниско ниво - в обратния случай, както е показано на фигурата по-долу.

Във всеки случай изходът на компаратора се състои от серия от импулси, чиято ширина варира в зависимост от моментното ниво на входния сигнал. Средното ниво на PWM сигнала има същата форма като оригиналния аудио сигнал.

Как да се възстанови аудио сигнал от PWM сигнал

За да се получи точно копие на входното аналогово напрежение от дискретен PWM сигнал, неговата честота на вземане на проби трябва да бъде много по-висока от максималната честота в неговия спектър. Според теорията на Никист (руската теория на телекомуникациите използва своя аналог, теоремата на Котелников), този излишък трябва да бъде поне двойно, но висококачествените усилватели с ниско ниво на изкривяване използват голямо съотношение (обикновено от 5 до 50).

Сигналът PWM, усилван от изходния транзисторен етап, съдържа нискочестотни компоненти, които напълно възпроизвеждат спектъра на входния аудио сигнал. Но той също така съдържа компоненти с честота на дискретизация (и неговите хармоници), които трябва да бъдат отстранени, за да се възстанови оригиналния модулиращ звуков сигнал. За постигането на тази цел е необходим мощен нискочестотен филтър. Обикновено се използва пасивен LC филтър, тъй като в него почти няма загуби и има малка или почти никаква дисперсия. Въпреки че винаги трябва да има загуби, на практика те са минимални.

Цифрова реализация

Цифровият усилвател клас D се състои от цифрови модули за обработка и предаване на данни, внедрени в микроконтролер, и модул за генериране на PWM сигнал. Тя може да бъде внедрена като външно, самостоятелно устройство към вече завършена аудио система. Въпреки това, това води до допълнителни разходи (трябва да закупите и спойка чипове) и потенциалното увеличение на разходите за отстраняване на грешки на интерфейса между входния източник на аудио сигнала и усилвателя.

Усилвателят на звука на микроконтролера се характеризира със следното:

• честотата на PWM сигнала (семплиране) трябва да бъде поне 10 пъти по-висока от максималната честота на входния сигнал, така че да може да бъде адекватно реконструирана на изхода на усилвателя;

• висока резолюция на процеса на контролиране на ширината на PWM импулсите за предотвратяване на изкривяването на квантуването на изходния сигнал;

• наличие на метод за вземане на проби от входния аналогов сигнал;

• високоскоростно ядро ​​за цифрова обработка и управление на данни;

• интерфейс за предаване на PWM сигнала към външни MOSFET транзистори.

Пример за устройство, което може да задоволи всички тези изисквания, е 32-битов микроконтролер от тип SiM3U1xx с висока скорост периферни устройства входно-изходна компания за производство Silicon Labs (Остин, Тексас, САЩ). Тези микроконтролери са уникално подходящи за нетрадиционни приложения като усилватели на мощност от клас D, които се свързват директно с високоговорителите. Единствените външни компоненти, необходими за аудио усилвател на SiM3U1xx, са дросел и няколко кондензатора. I / O устройства също имат програмируем лимит на тока, позволяват да използвате до 16 нива на звука, без да се налага фърмуерът да мащабира аудио данните, като същевременно пестите време и памет. Тъй като те се захранват от отделно напрежение от останалата част на устройството, те могат да бъдат свързани към външни високомощни MOS транзистори.

Устройствата SiM3U1xx включват и USB аудио приемопредавател, съвместим с USB аудио интерфейса, вградена флаш памет от 256 KB, два 12-битови аналогово-цифрови преобразуватели, които дигитализират поточно аудио от компютър или преносим музикален плеър. На фигурата е показана блоковата схема на устройството. Може да се използва като усилвател в колата.