Підсилювач D-класу. Підсилювач звуку для авто

Технологія підсилення звукових сигналів розвивається вже протягом 15-20 років. Вона має цілком певні переваги перед тією, що реалізована в широко поширених аудиоусилителях класів A або AB. Ми маємо на увазі підсилювач D-класу. Його перевага зумовлена, насамперед, високим ККД.

Класи автомобільних підсилювачів

Підсилювач звуку для авто, що працює в класі А, складається з транзисторних каскадів, які включені (проводять струм) як протягом усього часу дії вхідного аудіосигналу, так і при його відсутності. У нього низький рівень спотворень посиленого вихідного звукового сигналу, оскільки його транзистори працюють на лінійних ділянках своїх характеристик і повністю транслюють вхідні сигнали на вихід схеми, але він при цьому має дуже низький ККД. Ці пристрої зазвичай призначені для високоякісних аудиоприложений, для яких питання втрат потужності не є визначальними. Транзистори підсилювачів класу B проводять тільки або негативні або позитивні напівхвилі вхідного сигналу. Причому наявність зон нечутливості поблизу нульової позначки призводить до високого рівня спотворень. Однак цей ефект забезпечує набагато кращі характеристики, ніж в пристроях типу A. Підсилювач класу AB комбінує особливості обох попередніх з метою отримання кращого ККД, ніж у класі A, але менших спотворень, ніж в типі B. Хоча ці пристрої добре підходять для малопотужних приладів, або в кращому випадку середньої потужності, тенденцією останніх років стає випуск все більш потужних підсилювачів. Коли 30 Вт вважалося цілком достатньо, щоб задовольнити більшість споживачів. Тепер же цього навряд чи вистачить, щоб створити якісний стереоусилитель звуку для авто. В результаті були створені нові їх класи, включаючи й клас D, щоб впоратися з цією високою потужністю споживання.

У чому переваги пристроїв D-класу

Їх архітектура повністю відрізняється від підсилювачів інших перерахованих вище класів і аналогічна схемах імпульсних джерел живлення (ДБЖ). Підсилювач D-класу також заснований на використанні високочастотної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ, або англ. PWM) для створення вихідного сигналу. Його транзистори або повністю включені (падіння напруги на них дуже мало), або повністю вимкнені (струм через них близький до нуля). В обох випадках потужність электропотерь (твір струму на падіння напруга) дуже мала, і вони, як правило, втрачають набагато менше енергії у вигляді тепла. Таким чином, ця архітектура добре реалізується на основі дуже малогабаритних і економічних МДН-транзисторів. Підсилювач D-класу може досягати дуже високого рівня енергоефективності, що призводить до значної економії енергії джерела живлення. Однак перетворення вхідного аудіосигналу в ШІМ-сигнал, що супроводжується його квантуванням, саме може викликати більше спотворень на виході, ніж в підсилювачі інший архітектури. Метою створення пристроїв цього класу було зменшення спотворень на низьких рівнях при збереженні високої енергоефективності.

Порівняння ККД підсилювачів різних класів

На малюнку нижче показана типова залежність ККД від вихідної потужності для пристроїв класів D і AB. Теоретична максимальний ККД в D-класі сягає 100 %, і понад 90 % можна досягти на практиці. Зверніть увагу, що він досягає значень у 90 % вже при помірній вихідний потужності, тоді як максимум ККД в класі AB у 78 % виходить тільки при повній потужності. У практичному ж посилення музичних сигналів реалізується ККД менше ніж 50 %. Підсилювач звуку класу D при високому ККД споживає менше енергії для заданої вихідної потужності, але ще більш важливо, що різко зменшуються вимоги до тепловідводу. Той, хто збудував або бачив потужний аудіопідсилювач, напевно знає, що для підтримки щодо невисокої температури електроніки необхідні великі алюмінієві радіатори.




Навантаження на силовий трансформатор зменшується також на значну величину, дозволяючи використовувати менший його габарит для тієї ж вихідної потужності. Чи можна зібрати підсилювач класу D своїми руками? На малюнку нижче показано такий пристрій на 400 Вт. Кваліфікований радіоаматор не побачить в цій конструкції нічого такого, що змусило б його відмовитися від її власноручним реалізації.

Область переважного використання

Якщо заглибитися в деталі цієї технології, можна помітити, що хороший (низький рівень спотворень, повний діапазон) підсилювач потужності D-класу має працювати на досить високих частотах в діапазоні від 100 кГц до 1 МГц, при використанні високошвидкісних сигнальних пристроїв і відповідних джерел живлення. Спочатку це зумовило використання цього класу там, де не потрібна повна пропускна здатність і припустимо більш високий рівень спотворень, тобто в сабвуферах і в пристроях для промислового використання. Проте з часом все змінилося, і завдяки сьогоднішньому швидкодії транзисторних ключів, використання передової техніки зворотного зв'язку можна розробити пристрої класу D для всіляких застосувань, включаючи і звуковий підсилювач в машину. Вони характеризуються високим рівнем потужності, невеликими розмірами і низьким рівнем спотворень, порівнянним з хорошою конструкцією класу AB.

Підсилювач класу D: схема структурна

Він може бути реалізований в аналоговій або цифровій формі. Аналоговий варіант зазвичай складається з компаратора, генератор трикутного сигналу і кількох блоків для перетворення вхідного сигналу перед подачею його на вихідні МДН-транзистори. Схема такого аудіо підсилювача показана на малюнку нижче. Звуковий сигнал спочатку перетвориться в імпульсний широтно-модульований (скорочено ШІМ). Подібно сигналів у цифрових схемах пристроїв, що приймають лише два рівня – логічних 1 і 0 він також має всього два рівні – високий і низький. Однак змінний рівень вхідного аудіосигналу міститься в такому його параметрі, як тривалість імпульсу. Чим більше вхідний сигнал, тим менше триває імпульс. Звичайно, така заміна аналогового сигналу, здатного приймати нескінченну кількість значень на будь-якому інтервалі тривалості імпульсу ШІМ-сигналу, всього однією величиною цієї тривалості приводить до втрати інформації. Але чим більше частота проходження імпульсів, тим точніше відтворюється згодом звук. Як же саме перетворює його підсилювач класу D? Схема його містить вихідний каскад на польових транзисторах, показаний окремо на малюнку нижче. Вони посилюють вхідні імпульси, не вносячи в їх форму практично ніяких спотворень. Посилений ШІМ-сигнал, проходячи далі через вихідний фільтр нижніх частот, знову перетворюється в аналогову форму, що представляє посилений вхідний сигнал.

Ще раз про потужності, що розсіюється вихідними транзисторами

Простий підсилювач звуку (класу A або AB) має принаймні одне з вихідних пристроїв (у вигляді біполярного або польового транзистора), що проводить струм у будь-який момент часу. Поточний через нього проходить струм I через перехід колектор-емітер (або стік-джерело), де є деяке падіння напруги U. Навіть якщо немає вихідного сигналу, невелику кількість струму повинно протікати через транзистор. Оскільки величина P = U*I визначає рассеиваемую потужність, то деякий теплове розсіювання на ньому має місце. Зі збільшенням вихідної напруги рівень заряду на транзисторі буде падати, але поточний струм при цьому збільшиться. При насиченні (момент) напруга між колектором і емітером (стоком-витоком) буде низьким, але поточний струм стане досить високим. І навпаки, при низькому рівні вихідної потужності поточний струм невеликий, але велике падіння напруги. Це призводить до кривої потужності, що розсіюється, яка нелінійно залежить від вихідної потужності. Існує ненульова мінімальне теплове розсіяння (мінімальний ККД) та точка, де досягається ККД близько 78 % у пристрої чистого класу AB, 25 % або менше - в класі A. Простий підсилювач звуку класу D, з іншого боку, засновує свою роботу на перемиканні вихідного транзистора між двома станами, а саме «Включено» і «Вимкнено». Перш ніж обговорювати конкретні подробиці схем, ми можемо сказати, що в стан «Включено» певну кількість струму протікає через пристрій, у той час як теоретично на переході стік-витік практично не падає напруга, що подається від джерела живлення (та, майже кожне пристрій класу D використовує МДН-транзистори), отже, потужність, що розсіюється теоретично дорівнює нулю. У вимкненому стані падіння напруги буде дорівнювати повному напрузі живлення, так що транзистор подібний розімкнутого ділянці ланцюга, через який струм не тече (що дуже близько до реальності).

Що таке ШІМ-сигнал?

Вихідні транзистори підсилювача D-класу можуть створювати на виході підсилювального каскаду всього два рівня напруги, що відповідають двом вищезазначеним станів. У такому разі синусоїда не може бути представлена цими двома можливими рівнями. Насправді аудіосигнал модулює тривалість вихідних прямокутних імпульсів, які тривають від одного стану транзистора до іншого, так що інформація про нього все ж зберігається. Тепер нам потрібно зрозуміти, як робиться така модуляція і як відновити посилений сигнал з імпульсного. Найбільш поширеним способом, використовується в пристроях класу D, є ШІМ прямокутних імпульсів. Хоча частота проходження останніх фіксована, тривалість їх змінюється в залежності від вхідного звукового сигналу. Таким чином, коли вхідний сигнал збільшується, тривалість імпульсів наростає, а паузи між ними скорочуються, і навпаки.

Схема, генеруюча ШІМ-сигнал

Він зазвичай генерується шляхом порівняння вхідного сигналу з послідовністю імпульсів трикутної форми. Обидва сигнали подаються на вхід компаратора, як це показано на малюнку нижче. Трикутні імпульси визначають амплітуду вхідного аудіосигналу для повної модуляції і частоту перемикання вихідних транзисторів. «Цифровий» вихід компаратора використовує стандартні логічні рівні, де 0 відповідає логічному нулю, а 5 – логічної одиниці. З-за цієї квазиоцифровки ШІМ-сигналу підсилювачі, що використовують його, іноді помилково називають цифровими підсилювачами. Насправді весь процес є більше аналоговим, ніж цифровим. Швидше за все, ШІМ-сигнал можна віднести до дискретними сигналами, а частота проходження його імпульсів є частотою дискретизації вихідного аналогового сигналу.

Як генерується ШІМ-сигнал

Наведений нижче малюнок ілюструє, як звуковий сигнал перетворюється у форму ШІМ з використанням компаратора, який порівнює аудіосигнал, що складається з синусоїдальних хвиль-гармонік порівняно низькою частоти, з трикутним сигналом набагато більш високої частоти. На виході компаратора формується високий рівень, якщо миттєве напруга трикутної хвилі нижче, ніж у звукового сигналу, або низький, якщо воно вище. Логіка даного перетворення може бути і зворотною. Тоді високий рівень сформується, якщо трикутний сигнал перевищить синусоїдальний, а низький – у зворотному випадку, як показано на малюнку нижче. У будь-якому випадку вихід компаратора складається з серії імпульсів, чия ширина змінюється в залежності від миттєвого рівня вхідного сигналу. Середній рівень ШІМ-сигналу має ту ж форму, як і вихідний звуковий сигнал.

Як відновити аудіосигнал з ШІМ-сигналу

Щоб отримати з дискретного ШІМ-сигналу точну копію вхідного аналогового напруги, частота його дискретизації повинні бути набагато вище, ніж максимальна частота в його спектрі. Згідно з теоремою Найквіста (у вітчизняній теорії електрозв'язку використовується її аналог – теорема Котельникова), це перевищення має бути, принаймні, двічі, однак у високоякісних підсилювачах з низьким рівнем спотворень використовують велику кратність (зазвичай від 5 до 50). ШІМ-сигнал, посилений вихідним транзисторним каскадом, містить низькочастотні компоненти, які повністю відтворюють спектр вхідного аудіосигналу. Але він також містить компоненти з частотою дискретизації (і її гармоніки), які повинні бути вилучені для того, щоб відновити оригінальний модулюючий сигнал. Потужний фільтр нижніх частот необхідний для досягнення цієї мети. Зазвичай в його якості використовується пасивний LC-фільтр, тому що в ньому майже немає втрат, і він має мале або майже відсутнє розсіювання. Хоча завжди повинні бути деякі втрати, на практиці вони є мінімальними.

Цифрова реалізація

Цифровий підсилювач D-класу складається з блоків обробки і передачі цифрових даних, реалізованих на мікроконтролері, і блоку генерування ШІМ-сигналу. Він може бути реалізований як зовнішнє, автономне пристрій до вже готової аудіосистеми. Однак це веде до додаткових витрат (потрібно придбати і припаяти мікросхеми) і потенційного зростання вартості налагодження інтерфейсу між джерелом вхідного аудіосигналу і підсилювачем. Підсилювач звуку мікроконтролера на мікросхемі характеризується наступним: • частота ШІМ-сигналу (дискретизації) повинна бути не менше ніж в 10 разів вище, ніж максимальна частота вхідного сигналу, щоб можна було його адекватно реконструювати на виході підсилювача; • високою роздільною здатністю процесу управління шириною ШИМ-импульсов для запобігання спотворень квантування вихідного сигналу; • наявністю методу взяття вибірок вхідного аналогового сигналу; • швидкодіючим ядром для цифрової обробки і управління даними; • інтерфейсом для передачі ШІМ-сигналу на зовнішні MOSFET-транзистори. Прикладом реалізації пристрою, здатного задовольнити всі ці вимоги, є 32-розрядний мікроконтролер типу SiM3U1xx з швидкодіючими периферійними пристроями введення/виводу виробництва компанії Silicon Labs (Остін, Техас, США). Ці мікроконтролери однозначно підходять для нетрадиційних додатків типу підсилювачів потужності класу D, безпосередньо підключаються до динаміків. Єдині зовнішні компоненти, необхідні для аудіопідсилювач на SiM3U1xx, є дросель і кілька конденсаторів. Пристрої введення-виведення також мають програмоване обмеження струму, дозволяють використовувати до 16 рівнів гучності без необхідності прошивки для масштабування аудіоданих, економлячи при цьому час і об'єм пам'яті. Оскільки вони живляться окремим від решти частини пристрою напругою, то їх можна підключати до зовнішніх потужним МДН-транзисторів. SiM3U1xx-пристрої також включають USB-трансивер, сумісний з USB-аудіоінтерфейс, вбудовану флеш-пам'ять на 256 Кб, два 12-розрядним аналого-цифрового перетворювача, що здійснюють оцифровку потокового аудіо з комп'ютера або портативного музичного програвача. Структурна схема пристрою показана на малюнку. Воно цілком може використовуватися як підсилювач у машину.