Широтно импульсная модуляция в звуке. ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Как генерируется ШИМ-сигнал

В рознице найти микросхемы серии TDA не составляет труда. Продаются и готовые платы, к которым остается лишь докупить блок питания. К нам на тест поступила новейшая микросхема TDA8950E, размещенная на миниатюрной «демонстрационной» плате с соответствующей обвязкой. На микросхему нацеплен (поджат накидной скобой) небольшой металлический радиатор с развитым оре брением для естественного теплоотвода. Чтобы протестировать сие устройство, ничего не оставалось, как быстренько сделать усилитель своими руками.

Чем меньше напряжение подводимого питания микросхемы, тем меньше выдаваемая на выходе мощность. Электрически 150 Вт на канал достигается при ±37 В полярного питания. В этом случае трансформатор понадобится крепенький, чтобы ток 2 А держал, не прогибаясь. В идеале - тороидальный, причем с двумя выходными обмотками, чтобы получить полярное питание без заморочек. Диодный мост лучше взять готовый, у которого все в одном корпусе, торчат только четыре ножки - к двум внутренним подводим переменное напряжение, с двух внешних снимаем постоянное. Затем берем пару полярных конденсаторов емкостью от 2000 мкФ на напряжение 50–60 В (с запасом) (10 000 мкФ - то, что доктор прописал) и, строго соблюдая полярность (иначе «кондерам» хана), включаем параллельно с общей точкой, образованной средней жилой выходных обмоток трансформатора. Один «кондер» емкостью 10 000 мкФ обойдется рублей в 150. Никто не запрещает набрать желаемую суммарную емкость, запараллелив недорогие по 2000 мкФ.

Чтобы сгладить высокочастотные импульсы, в том числе проникающие из розетки, впаиваем (также параллельно) по керамическому конденсатору емкостью около 0,1 мкФ (полярность не важна). Для обеспечения безопасности обязателен тумблер, отключающий как «фазу», так и «землю». Предохранитель желателен (на ток 1–2 А, соответственно потреблению). Еще не помешает сразу за предохранителем (который впаивается последовательно, т.е. в разрыв одной из жил) воткнуть параллельно вилке один конденсатор эдак на 630 В емкостью 0,047 мкФ. Поясним: конденсатор, впаянный параллельно нагрузке, представляет собой фильтр первого порядка, подавляющий все составляющие выше определенной частоты, обусловленной емкостью этого конденсатора. Чем больше емкость, тем ниже частота «отсечки». Отрицательный провод полярного питания подводим к клемме платы усилителя, помеченной как Vss, а положительный - к клемме Vdd. Провод, отходящий от общей точки, забрасываем на клемму «земли» (Gnd). Все! Усилитель готов.

Перед подачей 220 В разумно пройтись по пайке, «прозвонив» тестером на предмет слу- чайного короткого замыкания. Первый раз 220 В подать на несколько секунд, в идеале подключив не колонки, а мощные резисторы не менее 4,7 Ом на 10–15 Вт. Хилые (до ~5 Вт) быстро или вообще сразу сдохнут. Поначалу стоит подавать слабый сигнал, убрав уровень громкости в аудиокарте чуть ли не до нуля. Если ни один из элементов не будет слишком быстро греться, трансформатор не будет зловеще гудеть и т.п., усилитель можно эксплуатировать. Саму микросхему спалить практически невозможно благодаря электрической защите от короткого замыкания, термической защите от перегрева, защите от заряда статического электричества и прочим блокировкам «от дурака». Пассивные акустические системы подключаются с соблюдением фазы: одна колонка на Out1 с клеммами «+» и «–», другая на Out2 с соблюдением тех же «+» и «–». Если перепутать местами на одной из колонок «+» и «–» (полярность), то ничего не сгорит, но честных стереоэффектов не получить.


Провести измерения параметров усилителя класса D посредством популярной программы RMAA и доступной звуковой карты, не имея качественного (более 40 дБ) аналогового фильтра, отсекающего весь ультразвуковой мусор, - пустая затея. Пресловутая несущая частота ШИМ (для TDA8950E это 345 кГц) - это только верхушка айсберга. Конечно, подавление данной частоты, пролезающей на выходы микросхемы, требует мощных фильтров. Не испортить при этом полезный сигнал не так просто, как кажется. Задача усугубляется активностью импульсов, коротких во времени, но неслабых по амплитуде. Посему в данном случае париться с измерениями в домашних условиях явно не стоит.


Экспертное прослушивание происходило в сравнении с интегральным Hi-Fi-стереоуси-лителем Harman-Kardon HK970 мощностью 120 Вт на 4 Ом (0,3% THD), имеющим классическую схему на неслабых полевых транзисторах и потребляющим под 410 Вт. В качестве пассивных акустических систем выступала Hi-Fi-стереопара (тщательно подобранная изготовителем по технологическому разбросу параметров) DALI Suite, сделанная в Дании. Это удачная связка, что могут подтвердить многие аудиофилы. Акустика функционирует подобно беспристрастному студийному монитору, не прощая малейших огрехов записи. Искажения какого-либо блока усиления, если таковые будут критичными, также легко заметны на слух.

Мощность, выдаваемая примененной TDA8950E, откровенно удивила. В помещении площадью12 кв. м задрожали стекла уже на «малых оборотах». Выкручивать уровень громкости в микшере аудиокарты не понадобилось. Левый и правый каналы получились, правда, не совсем идентичными, воссоздаваемая стереокартина может размазываться. Однако при воспроизведении сжатых форматов вроде МР3 это некритично. По сравнению с истинно Hi-Fi-ным усилителем в связке с чувствительной акустикой привносимые нашим «цифровиком» искажения не пройдут не замеченными для опытного аудиофила.

Принцип работы усилителей класса D

Технология широтно-импульсного (ШИМ) усиления звука, породившая так называемый класс D, стала внедряться более десяти лет назад, хотя сама идея зародилась раньше. В последнее время усилители класса D проникли не только в портативные цифровые аудиоустройства. В телевизорах, музыкальных центрах, коробочных домашних театрах, автомобильных аудиоустройствах и во многих мультимедийных акустических системах обосновались довольно миниатюрные микросхемы, выделяющие на удивление мало тепла. Эффективность современных схем быстро растет с мощностью, достигая 90% уже на половине от ее максимума. При этом эффективность транзисторных усилителей еще недавно самого распространенного класса A-B не дотягивает до 40%. На полной мощности сравнивать бессмысленно, поскольку любой усилитель уже на подходе к заветному максимуму срывается в клиппирование, плодя высокочастотные гармоники. Класс А в состоянии похвастаться только 25% эффективности, а чистый класс В - 78% (теоретически, при мощности условно близкой к максимальной).

Топология класса А, обеспечивающая наиболее качественный звук, подразумевает использование каждого транзистора как источника постоянного тока, способного снабдить динамик необходимым током как при положительной полуволне, так и при отрицательной (звуковой сигнал от природы полярен). Такому усилителю, грубо говоря, приходится высаживать половину мощности на поддержание постоянной составляющей тока «нейтрального уровня», то есть даже тогда, когда входной сигнал отсутствует. В топологии класса В поддержание постоянной составляющей тока игнорируется за счет того, что транзисторы заставляют работать на манер тянитолкая для положительной и отрицательной полуволн соответственно. Расплата неминуема: минимизация искажений выливается в серьезную техническую задачу. Гибридная топология класса А-В допускает постоянную составляющую тока на выходе транзисторов, но гораздо меньшей величины, чем в классе А, дабы не дергать транзисторы хотя бы на малой мощности (в отличие от ласса В). То есть усилители класса А-В на малой мощности работают в классе А, а на средней и максимальной - в классе В. Естественно, на малой мощности эффективность усиления в классе А-В получается низкой, зато с искажениями нет проблем.

Фишка же топологии класса D в том, что благодаря предварительному широтно-им-пульсному преобразованию звукового сигнала транзисторы функционируют в импульсном режиме на высокой частоте, находясь все время в открытом состоянии. Образно говоря, не успевают «завязнуть» на постоянном токе, а необходимость в каком-либо управлении отпадает - тактирование автоматически задается частотой модуляции.

Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.

Классы автомобильных усилителей

Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.

В чем преимущества устройств D-класса

Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.

Сравнение КПД усилителей различных классов

На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.

Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.

Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?

На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.

Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.

Область преимущественного использования

Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.

Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.

Усилитель класса D: схема структурная

Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.

Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня - логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня - высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже.

Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.

Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами

Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее - в классе A.

Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).

Что такое ШИМ-сигнал?

Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.

Схема, генерирующая ШИМ-сигнал

Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.

Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В - логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.

Как генерируется ШИМ-сигнал

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.

На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий - в обратном случае, как показано на рисунке ниже.

В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.

Как восстановить аудиосигнал из ШИМ-сигнала

Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог - теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).

ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

Частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

Высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

Наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

Быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

Интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.

Коэффициент полезного действия является основным параметром для усилителей мощности звуковой частоты. Особенно это важно для портативной аппаратуры, такой как радиоприемники или сотовые телефоны. Усилители с высоким к.п.д. применяются и в стационарных устройствах, таких как компьютеры или телевизоры. Усилители класса C позволяет получить достаточно большие значения к.п.д. но их невозможно использовать для усиления звуковых сигналов.

Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:

1. ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;
2. напряжение на транзисторе при ненулевом токе равно нулю.

Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме. Первое условие будет выполнено, если транзистор полностью закрыть (режим отсечки). Второе условие будет выполнено, если транзистор полностью открыть (режим насыщения). Так работают транзисторы в цифровых микросхемах, например КМОП логики.

Но ведь в этом случае амплитуда сигнала на выходе будет иметь только два уровня. Для того чтобы можно было получить амплитуду сигнала, соответствующую входной, на выходе усилителя звука, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция — ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Данный процесс иллюстрируется рисунком 1.

Как видно из рисунка 1, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше — тем меньше будет средний уровень сигнала, чем больше — тем больше. В спектре широтно-импульсной модуляции присутствует исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется любым фильтром низкой частоты. Достаточно отфильтровать высокочастотные составляющие двухуровневого сигнала и усиленный первоначальный сигнал можно подавать на громкоговоритель. Спектр широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала приведен на рисунке 2.

Так как мощность на выходе усилителя мощности обычно составляет значение от единиц до сотен ватт, то обычно применяются LC фильтры. Задача фильтра заключается в подавлении частоты пилообразного сигнала, модулированного полезным сигналом и его гармоник. Для того, чтобы можно было применить простейший фильтр второго порядка, частоту пилообразного сигнала выбирают в пределах двух мегагерц. Так как частота модулирующего сигнала превышает верхнюю частоту звукового спектра в 100 раз, то фильтр второго порядка, состоящий из индуктивности и конденсатора, способен подавить мешающие сигналы на 80 дБ (при соответствующем конструктивном исполнении).

Усилителя низкой частоты, работающего в режиме класса D, приведена на рисунке 3

Данная схема состоит из входного усилителя, обеспечивающего требуемое входное сопротивление, компаратора напряжения, на второй вход которого подается пилообразное напряжение и выходного каскада, собранного на комплементарных полевых транзисторах. Именно эти транзисторы и обеспечивают необходимую выходную мощность. Их быстродействие определяет к.п.д. усилителя. Для оценки коэффициента полезного действия можно воспользоваться зависимостью рассеиваемой мощности от выходной мощности. На рисунке 4 приведены характеристики микросхем усилителя класса D фирмы Texas Instruments TPA2012D2.

Микросхемы подобного класса предназначены для применения в портативной аппаратуре. В таблице 1 приведены некоторые из таких микросхем. Обратите внимание на очень низкие этих микросхем.

Несколько другой подход для построения усилителей класса D использует фирма Analog devices. В ее микросхемах вместо ШИМ модулятора используется сигма-дельта модулятор. Это позволяет поднять внутреннюю частоту до такого значения, что внешний фильтр низкой частоты не требуется. Его функции выполняет динамик. Внутренняя схема подобной микросхемы приведена на рисунке 5.

В настоящее время выпускается достаточно большое количество микросхем усилителей класса D большой мощности. В качестве примера можно назвать разработки фирм MPS (Monolithic Power Systems) и Texas Instruments

Следует отметить, что подобные схемы практически не требуют громоздких радиаторов, рассеивающих избыточное тепло. На рисунке 6 приведена типовая принципиальная схема усилителя звуковых частот класса D.

В данной схеме резисторы R4 и R1 определяют глубину отрицательной обратной связи, которая влияет на коэффициент усиления усилителя и его нелинейные искажения. Резисторы R3 и R2 задают режим работы на входе микросхемы по постоянному току (половина питания). Диоды D1 и D2 защищают выходной каскад от перенапряжения. Фильтр, выделяющий из ШИМ звуковой сигнал собран на индуктивности L1 и конденсаторе C8. Емкости C1 и C9 являются разделительными.

Литература:

Вместе со статьей "Усилитель класса D" читают:

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/A/

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/Berg/

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/B/

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

• обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
• ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
• контролирует уровень входного напряжения;
• защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
• при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• высокой эффективности преобразования сигнала;
• стабильность работы;
• экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
• низкой стоимости;
• высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Читайте так же

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» усилитель класса D? Каковы особенности усилителей класса D от Analog Devices ? Ответы на эти вопросы следуют далее.

Немного 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 .

Преимущество усилителей класса D

В обычном усилителе выходной каскад содержит транзисторы, обеспечивающие необходимое мгновенное значение выходного тока. Во многих аудиосистемах выходные каскады работают в классах 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 V out , по крайней мере, в одном транзисторе каскада неизбежно возникает отличный от нуля ток I т и напряжение V т. 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 I т xV т.

Благодаря совершенно иному принципу, мощность рассеяния 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 V т. Мгновенная мощность рассеяния, I т xV т, 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.

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%.

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, P load max (в 5–20 раз, в зависимости от типа звука). Таким образом, для звуковых усилителей P load = 0,19P load max является разумным средним значением выходной мощности, для которой можно посчитать мощность рассеяния, P diss . При таком уровне выходной мощности усилитель класса D рассеивает в 9 раз меньше, чем усилитель класса B, и в 107 раз меньше, чем усилитель A класса. Для звукового усилителя с P load max =10 Вт средняя мощность P load = 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% для класса 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 класса потребляет 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 .

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 V т было малым при большом токе I т, транзистор должен иметь маленькое сопротивление во включенном состоянии, R on (обычно 0,1 или 0,2 Ом).

Для этого требуются большие транзисторы, с большой емкостью затвора (CG). Потребляемая цепями управления затворами мощность - CU 2 f, 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 V т x I т 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 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 .

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 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 D можно 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 .

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 , 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 , 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 . 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)

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 сети. Спектры излучаемых ЭМП и тех, которые распространяются по проводам, определяет схема модуляции усилителя класса D. Однако существуют схемотехнические решения, позволяющие значительно снизить уровень ЭМП усилителя.

Весьма полезное правило заключается в минимизации размеров петли обратной связи, по которой протекают высокочастотные токи, так как воздействие ЭМП на другие цепи определяется площадью петли и расстоянием до них. Например, весь LC-фильтр, включая проводку громкоговорителя, должен размещаться как можно более компактно и близко к усилителю. Для уменьшения площади петель провода каждой из цепей должны размещаться ближе друг к другу (не лишней будет витая пара для проводки громкоговорителя).

Следует обратить внимание и на большие зарядные токи, возникающие при переключении выходных каскадов. Это происходит из-за наличия выходных емкостей, образующих петлю тока, содержащую обе емкости. ЭМП в данном случае зависят от уменьшения площади этой петли, что означает минимальные расстояния от емкостей до транзисторов, которые их заряжают.

LC-фильтры с тороидальными сердечниками, хорошо концентрирующими магнитное поле, также способствуют уменьшению электромагнитного излучения. Излучение от более дешевых, цилиндрических сердечников может быть снижено при помощи экранирования - разумного компромисса между ценой и ЭМ-помехами. В этом случае должны быть приняты меры для того, чтобы экранирование не ухудшило линейность индуктивности и таким образом снизило качество звука до неприемлемого уровня.

Конструкция LC-фильтра

Для уменьшения габаритов и стоимости системы большинство LC-фильтров для усилителей класса D представляют собой фильтры низких частот второго порядка. На рис. 3 представлена мостовая версия LC-фильтра второго порядка. Громкоговоритель позволяет предотвратить внутренний резонанс выходной цепи. Хотя импеданс громкоговорителя часто аппроксимируется простым резистором, его структура более сложна и содержит существенную реактивную составляющую. Чтобы грамотно спроектировать фильтр, необходимо использовать точную модель громкоговорителя.

При конструировании фильтра основной проблемой является наиболее узкая полоса пропускания с минимальным спадом в области верхних звуковых частот. Типичный фильтр имеет характеристику Баттерворта в 40 кГц для достижения максимальной равномерности характеристики в полосе пропускания). Данные таблицы 1 дают возможность построения фильтров с характеристикой Баттерворта для громкоговорителей с типичными импедансами и стандартных значений L и C.

Таблица 1. Стандартные значения L и C для построения фильтров

Если отсутствует обратная связь с громкоговорителем, величина искажений будет зависеть от линейности составляющих фильтра.

Факторы, определяющие конструкцию индуктивности. Важными факторами являются величина и форма сигнала тока, а также сопротивление обмотки.

Выбранная индуктивность должна иметь номинальные токи выше, чем максимальные токи усилителя. Причина в том, что сердечники индуктивностей испытывают магнитное насыщение, если величина тока становится слишком большой, а плотность магнитного потока - слишком высокой. Это приводит к значительному снижению индуктивности.

Чтобы получить индуктивность, необходимо намотать провод на сердечник. Если витков много, сопротивление, пропорциональное длине провода, становится значительным. Так как это сопротивление включается последовательно между плечом моста и громкоговорителем, часть выходной мощности будет рассеиваться на нем. Если сопротивление получается слишком большим, необходимо использовать провод большего диаметра или другой материал сердечника, чтобы снизить число витков без уменьшения индуктивности. И, как уже отмечалось выше, не следует забывать, что геометрия индуктивности также влияет на уровень ЭМП.

Стоимость системы

Каковы наиболее важные факторы, определяющие общую стоимость аудиосистемы на основе усилителя D класса? Как минимизировать затраты?

Активные компоненты усилителя класса D состоят из выходного ключевого каскада и модулятора. Стоимость их приблизительно такая же, что и линейного усилителя. Вопросы выбора возникают при рассмотрении остальных компонентов системы.

Пониженное тепловыделение усилителей класса D позволяет экономить на теплоотводах и вентиляторах. Усилитель класса D, построенный на интегральной схеме, может быть выполнен по той же причине в более компактном и дешевом корпусе, чем линейный усилитель той же мощности. При использовании цифрового источника звука для линейного усилителя, кроме того, нужен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Это, конечно, необходимо и для усилителя D класса, требующего аналогового входного сигнала, однако варианты усилителей с цифровым входом исключают необходимость использования ЦАП.

С другой стороны, принципиальным недостатком усилителей D класса является необходимость включения LC-фильтра. Его части, в особенности индуктивность, требуют места и увеличивают стоимость. В усилителях большой мощности цена LC-фильтра компенсируется большой стоимостью системы охлаждения. Однако в недорогих устройствах малой мощности стоимость индуктивности становится заметной. Например, стоимость микросхемы усилителя для мобильного телефона может быть меньше, чем общая стоимость LC-фильтра. И даже если пренебречь ценой, остается проблема занимаемого места для компактных устройств.

Это явилось причиной создания усилителей, в которых LC-фильтр отсутствует.

При таком решении экономится место и снижается стоимость, хотя и теряется преимущество низкочастотной фильтрации. В отсутствие фильтра уровень ЭМП может возрасти до неприемлемого уровня - если громкоговоритель не индуктивный и находится на удалении от усилителя, токовый контур и мощность усилителя достаточно велики. Нереальная для мощных усилителей, например, домашней стереосистемы, такая ситуация типична для мобильного телефона.

Существует и другой подход для уменьшения числа компонентов LC-фильтра. Можно использовать не мостовую, а обычную двухтактную схему выходного каскада, что позволяет вдвое сократить число емкостей и индуктивностей. Однако такая схема требует двухполярного питания, и дополнительная стоимость, связанная с созданием отрицательного источника питания, может оказаться критической, если, конечно, отрицательное плечо уже не используется для других целей, или усилитель имеет достаточное число каналов. Двухтактный выходной каскад может питаться и однополярным источником, но это несколько снижает выходную мощность и зачастую требует блокирующего конденсатора большой емкости.

Усилители D класса Analog Devices

Затронутые выше проблемы свидетельствуют, что разработка усилителя D класса - дело достаточно сложное. Для экономии времени разработчиков компания Analog Devices предлагает разнообразные усилители D класса на интегральных схемах, включающих усилители с программируемым коэффициентом усиления, модуляторы и выходные каскады. Для каждого типа усилителя имеются специальные демонстрационные отладочные платы. Конструкция плат позволяет эффективно, без изобретения очередного велосипеда, решить все проблемы, стоящие перед разработчиками усилителей класса D.

Рассмотрим, например, AD1990, AD1992, AD1994 и AD1996 - семейство интегральных схем (ИС), представляющих собой сдвоенные усилители средней мощности для двухканальных устройств, с выходной мощностью 5, 10, 25 и 40 Вт на канал соответственно.

Некоторые свойства этих ИС:

• Звуковой усилитель D класса AD1994 включает два канала с программируемым усилением, два сигма-дельта модулятора и два выходных каскада, что позволяет использовать его в мостовых схемах с однополярным питанием. Он способен обеспечивать 25 Вт на канал в стереорежиме или 50 Вт в мостовой схеме включения с КПД до 90%. Для усиления сигнала имеется программируемый коэффициент усиления в 0, 6, 12 и 18 дБ.
• Микросхема обладает встроенными устройствами защиты выходного каскада от перегрузки и перегрева, а также от сквозных токов. Благодаря специальному управлению синхронизацией и калибровке смещения, усилители обеспечивают минимальные помехи при включении/выключении. Следящая обратная связь и оптимизированное управление выходным каскадом обеспечивают уровень искажений 0,001%, динамический диапазон 105 дБ и подавление помехи источника питания более 60 дБ. Однобитный сигма-дельта модулятор специально усовершенствован для применения в усилителях D класса, обеспечивает среднюю частоту потока данных 500 кГц, высокое усиление до 90% модуляции и стабильность вплоть до полной модуляции. Специальный режим работы модулятора обеспечивает повышенную выходную мощность.
• Логика, программируемый усилитель и модулятор питаются от источника 5 В, выходной каскад питается напряжением от 8 до 20 В. Рекомендуемый дизайн усилителя обеспечивает соответствие правилам FCC Class B по уровню ЭМП. При нагрузке 6 Ом и питании 5 и 12 В AD1994 рассеивает 487 мВт в покое, 710 мВт при выходной мощности 291 Вт и 0,27 мВт в режиме экономии. Выпускается в 64-выводном корпусе LFCSP, рабочий диапазон температур от –40 до +85 °С.

Технические характеристики звуковых усилителей класса D от Analog Devices содержатся в таблице 2.

Таблица 2. Звуковые усилители класса D от Analog Devices

Литература

1. International Rectifier, Application Note AN-978, HV Floating MOS-Gate Driver ICs.
2. Nyboe F., et al. Time Domain Analysis of Open-Loop Distortion in Class D Amplifier Output Stages. The AES 27th International Conference, Copenhagen, Denmark, September 2005.
3. Zhang L., et al. Real-Time Power-Supply Compensation for Noise-Shaped Class D Amplifier. The 117th AES Convention, San Francisco, CA, October 2004.
4. Nielsen K. A Review and Comparison of Pulse-Width Modulation (PWM) Methods for Analog and Digital Input Switching Power Amplifiers. Te 102nd AES Convention, Munich, Germany, March 1997.
5. Putzeys B. Simple Self-Oscillating Class D Amplifier with Full Output Filter Control. The 118th AES Convention, Barcelona, Spain, May 2005.
6. Gaalaas E., et al. Integrated Stereo Delta-Sigma Class D Amplifier. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, December 2005. About the AD199x Modulator.
7. Morrow P., et al. A 20-W Stereo Class D Audio Output Stage in 0.6 mm BCDMOS Technology. IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 39, no. 11, November 2004. About the AD199x Switching Output Stage.
8. PWM and Class D Amplifiers with ADSP-BF535 Blackfin® Processors. Analog Devices Engineer-to- Engineer Note EE-242. ADI website: www.analog.com (Search) EE-242 (Go)