Усилитель класса D

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:

ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;

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.

Рисунок 1. Процесс формирования ШИМ

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.

Рисунок 2. Спектр сигнала ШИМ

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).

Структурная схема усилителя низкой частоты, работающего в режиме класса D, приведена на рисунке 3

Рисунок 3. Типовая структурная схема усилителя класса D

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.

Рисунок 4. Сравнение рассеиваемой мощности усилителей класса AB и D

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

Наименование	Описание	Стерео/моно	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Нелин. искаж. на мощн. P/2 THD+N* (%), f=1кГц	Коэфф. подавл. помех по цепям питания дБ	Корпус
Наименование	Описание	Стерео/моно	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	(min)	(max)	Нелин. искаж. на мощн. P/2 THD+N* (%), f=1кГц	Коэфф. подавл. помех по цепям питания дБ	Корпус
TPA2017D2	SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс	Стерео	2,8	4	2,5	5,5	0,2	80	QFN-20
TPA2000D2	усилитель средней мощности	Стерео	2,5	3	4,5	5,5	0,05	77	TSSOP-24
TPA2000D4	усилитель для стерео телефонов	Стерео	2,5	4	3,7	5,5	0,1	70	TSSOP-32
TPA2012D2	усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм	Стерео	2,1	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2	SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс	Стерео	1,7	8	2,5	5,5	0,2	80	WCSP-16
TPA2001D2	усилитель низкой мощности	Стерео	1,25	8	4,5	5,5	0,08	77	TSSOP-24
TPA2100P1	для пьзокерам. излучателя	Моно	19 Vpp	1,5 мкФ (пьезо)	2,5	5,5	0,2	90	WCSP-16
TPA2035D1	дифф. вход, 1,5 х 1,5 мм	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9

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.

Рисунок 5. Внутренняя схема микросхемы SSM2317

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

Наименование	Описание	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Нелинейные искажения на половинной мощности THD+N* (%), f=1кГц	Коэффициент подавления помех по цепям питания дБ	Корпус
Наименование	Описание	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	(min)	(max)		Коэффициент подавления помех по цепям питания дБ	Корпус
TAS5630B	300 Вт усилитель (стерео) с ОС	400	2	25	52,5	0,03	80	QFP-64, PSOP-44
TAS5615A	160 Вт усилитель (стерео) с ОС	300	2	18	38	0,03	80	QFP-64, PSOP-44
MP7720	20 Вт усилитель (моно)	20	4	9,5	24	0,04	60	SOIC-8
MP7781	80 Вт усилитель	80	4	18	38	0,1	60	SOIC-24

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.

Рисунок 6. Принципиальная схема звукового усилителя мощности класса D на микросхеме МР7720

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 дифференциального усилителя 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:

Радиотехника Классы усилителей Реальная физика ТОЭ ТЭЦ Работы с генератором Тесла

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира