Простой усилитель класса Д

Основы конструирования усилителей класса D

Hugo Letourneau, Future Electronics

Истинные аудиофилы всегда мечтали сконструировать идеальный усилитель, абсолютно достоверно воспроизводящий каждый звук, записанный на студии. Возможно, они начали мечтать об этом, когда, получив первые уроки электроники, узнали, что топология класса A дает великолепные результаты с точки зрения линейности. Иногда горячие студенты, невзирая на предупреждения своих учителей, пытались изобрести велосипед, посвятив себя созданию усилителя класса A с выходной мощностью 150 Вт на канал, чтобы поразить всех друзей мощным и совершенным звуком. И каждый раз, когда разработка подходила к финальной стадии, выяснялось, что усилитель, по большому счету, представляет собой мощный обогреватель, а его корпус является раскаленным радиатором для транзисторов выходного каскада.

Затем эти студенты начинали увлекаться вопросами снижения энергопотребления, и делали усилители класса B или AB, а наиболее усердные, исследовав все топологии, останавливались на классе D. Для новичков в конструировании усилителей сообщим. В усилителе класса A выходной транзистор усиливает весь сигнал, т.е., 360°. В системах класса B каждый транзистор усиливает только одну полуволну сигнала, или 180°.

Усилители класса AB занимают промежуточное положение с диапазоном, примерно, от 180° до 270°, в зависимости от тока покоя выходного каскада. Усилители класса D часто называют «цифровыми» усилителями, так как выходные транзисторы работают в ключевом режиме, генерируя прямоугольные импульсы, а выходной сигнал на громкоговорители подается через фильтры. Основное преимущество топологии класса D – обусловленный ее цифровым характером высокий КПД, который может превышать 90%. Типовые схемы для каждой топологии выходного каскада показаны на Рисунке 1.

Рисунок 1.Слева направо: типичные базовые схемы усилителей классов A, B или A/B, и полномостового усилителя класса D.

Усилители класса D известны более 25 лет, но настоящую популярность приобрели лишь 10-15 лет назад, или около того. Из за их высокого КПД, они использовались, главным образом, на низких частотах при больших уровнях мощности, т.е., для управления сабвуферами, и очень редко – в средне- и высокочастотных приложениях, вследствие значительных искажений, связанных с несовершенством технологии переключающих схем того времени.

Чтобы сделать усилитель класса D с приличным звучанием, необходимо учесть множество параметров, не пропустив ни одного элемента в цепи прохождения сигнала. Без этого не удастся добиться хороших звуковых характеристик во всем диапазоне частот. На Рисунке 2 изображена простая блок-схема типичного цифрового усилителя. Каждый прямоугольник этой блок-схемы должен быть тщательно выверен и согласован с остальными. Лишь в этом случае можно достичь определенного баланса и создать усилитель, отвечающий требованиям нашего уха.

Рисунок 2.Путь прохождения сигнала в усилителе класса D.

Каскад ШИМ-модулятора

ШИМ сигнал можно получить с помощью как аналоговой, так и цифровой схемы, точно так же, как аналоговым или цифровым может быть источник звука. Проще всего получить сигнал ШИМ сравнением треугольного напряжения со звуковым сигналом, как это показано на Рисунке 3. Если источник сигнала цифровой, превратить импульсно-кодовую модуляцию в ШИМ можно, используя цифровой сигнальный процессор. В любом случае, первостепенное значение для формирования ШИМ сигнала имеют величина джиттера и стабильность всех генераторов, так как несколько пикосекунд среднеквадратичного значения джиттера навсегда похоронят мечты о создании усилителя c отношением сигнал/шум лучше 100 дБ. В цифровых ШИМ системах добавляется ошибка квантования, порождаемая конечным числом уровней ШИМ.

Рисунок 3.Простой ШИМ-модулятор.

Методы формирования шумов совершенствовались на протяжении многих лет, в результате чего появились новые технологии, такие, как PDM (pulse-density modulation – плотностно-импульсная модуляция) и дельта-сигма модуляция, которые, теоретически, позволяют сместить спектр шумов дискретизации далеко за область полезных частот, где они могут быть эффективно подавлены фильтрами.

Компаратор должен иметь большую скорость нарастания напряжения и, желательно, двухтактный выходной каскад. Хороший выбор – микросхема LMV7239, имеющая время задержки распространения сигнала 45 нс и время нарастания/спада 1.2 нс. Немаловажное значение имеет качество трассировки печатной платы, чтобы предотвратить возникновение «звона». Помимо этого, весьма критична топология распределения шин питания и развязывающих конденсаторов. Небрежность в этом вопросе может приводить к увеличению уровня джиттера выходного сигнала. Следует, также, избегать чрезмерной емкостной нагрузки на линию, соединяющую выход модулятора с драйвером MOSFET транзисторов.

Несимметричный или дифференциальный?

Прежде чем выбирать, каким будет выходной каскад, – несимметричным или дифференциальным, – очень важно понять влияние этого выбора на характеристики конструкции. Несимметричный режим выгоднее с точки зрения количества и цены компонентов, но для предотвращения постоянного смещения выхода потребуется развязывающий конденсатор. Кроме того, все колебания напряжения питания неизбежно передаются прямо на выход, еще более увеличивая уровень искажений. Поэтому использовать несимметричную схему без обратной связи невозможно.

Дифференциальный режим затратнее, но дает много преимуществ, таких как меньший уровень четных гармоник, улучшенная устойчивость к колебаниям питающего напряжения, меньшая мощность, рассеиваемая каждым транзистором, и более простое решение задачи устранения постоянного смещения, не требующее развязывающих конденсаторов. Обратная связь может улучшить выходной сигнал, однако дифференциальная топология без обратной связи искажает сигнал намного меньше, чем несимметричная.

Выходной MOSFET каскад и драйвер

В схеме, изображенной на Рисунке 2, важны все элементы, но два из них оказывают наибольшее влияние на искажения выходного сигнала. Это MOSFET транзисторы и их драйвер. Качество звука очень зависит от формы импульсной последовательности, и любое отклонение ШИМ сигнала от идеального ухудшает его качество.

Для этого каскада важны, и должны быть рассмотрены, многие характеристики MOSFET транзисторов:

  • ток управления и входная емкость;
  • мертвое время (что важно для исключения сквозных токов);
  • сопротивление открытого канала;
  • время включения/выключения.

Любой из этих параметров влияет не только на качество звука, но и на рассеиваемую транзисторами мощность. «Мертвое время» – это задержка между выключением одного транзистора и включением другого, время, в течение которого оба транзистора выключены (или находятся в процессе выключения). При отсутствии мертвого времени, скорее всего, будет возникать ситуация, когда один транзистор выходного каскада уже открыт, а другой еще не закрыт, вследствие чего ток от положительной шины питания будет протекать к отрицательной шине напрямую через два открытых транзистора. Этот ток называется сквозным и должен быть минимизирован подбором соответствующего мертвого времени. Сквозной ток является основной причиной нелинейных искажений в системах класса D. Недостаточное мертвое время может ухудшить коэффициент нелинейных искажений на проценты. Выбор MOSFET транзисторов и симметрия плеч выходного каскада – важнейший момент в проектировании высококачественного усилителя.

Ток управления затвором MOSFET транзистора должен соответствовать его емкости, чтобы иметь малые времена нарастания и спада импульсов на входе транзистора, которые, в свою очередь, обеспечат крутые фронты в выходном сигнале. В свою очередь, источник питания должен быть способен отдавать большие импульсные токи.

Мощность рассеивания и правильный выбор MOSFET транзистора

Транзисторы в переключающих каскадах класса D преобладающую часть времени полностью открыты или полностью закрыты, и рассеиваемая ими мощность минимальна. Как видно из Рисунка 1, в системах класса D используются двухтактные, каскады, в полу- или полномостовой конфигурации, выходными сигналами которых являются прямоугольные импульсы. При этом поочередно, равное время, открыт то один MOSFET транзистор, подключенный к положительной шине питания, то другой, подключенный к отрицательной шине. Теоретически, это могут быть два разных транзистора, с каналами N и P типа, но практически предпочтительнее использовать сдвоенные N-канальные транзисторы, обеспечивающие повышенную симметрию и лучшее мертвое время. Включенный MOSFET транзистор рассеивает очень небольшую мощность, являющуюся функцией прямого падения напряжения, зависящего, в свою очередь, от сопротивления открытого канала RDS(ON). Это имеет огромное значение, не только с точки зрения экономии энергии, но, прежде всего, с точки зрения габаритов схемы. К примеру, выходной каскад 100-ваттного усилителя класса A рассеивает в виде тепла мощность 300 Вт и требует очень больших транзисторов и теплоотводов, усилитель класса AB вполне можно сделать, используя транзисторы в корпусах TO3 и радиаторы традиционных размеров, а для усилителя класса D будет достаточно транзисторов в корпусах SOT223 или TO89. А это означает, что хороший усилитель мощности может иметь относительно небольшие размеры, которые, по мере развития технологии, будут постоянно уменьшаться, благодаря росту эффективности и снижению габаритов используемых приборов.

Одна из распространенных ошибок заключается в том, что, стремясь к наивысшей эффективности, разработчики выбирают MOSFET транзисторы с наименьшим значением RDS(ON) и ожидают, что транзисторы будут совершенно холодными. В реальности все может быть совершенно по-другому.

Транзисторы с самым низким сопротивлением RDS(ON) имеют большую входную паразитную емкость. Управлять затвором транзисторов с большой емкостью намного труднее, приходится ограничивать частоту переключения, а это, в свою очередь, увеличивает время нарастания и спада импульсов. Поэтому нужно пытаться выбирать транзисторы с небольшой входной емкостью, чтобы облегчить управление транзистором. В общем случае, для MOSFET транзисторов с низким сопротивлением RDS(ON) характерна прямая связь входной емкости с пробивным напряжением сток-исток, т.е., при уменьшении емкости уменьшается и напряжение. Выбор оптимального транзистора должен начинаться с сопоставления пробивного напряжения VDSS и требуемых характеристик схемы. Далее следует убедиться, что транзистор имеет приемлемую, с точки зрения потерь мощности, величину RDS(ON), но основным критерием должна быть минимальная входная емкость, которая позволяла бы упростить управление транзистором и облегчить режим работы драйвера затвора.

Разработчик не должен пренебрегать коммутационными потерями, обусловленными паразитными емкостями дискретных элементов. Полная мощность, рассеиваемая MOSFET транзистором, выражается следующей формулой:

ILOAD – ток нагрузки
CRSS – емкость затвора
V – размах напряжения на нагрузке
FSW – частота переключения
IGATE – ток затвора

К примеру, давайте представим, что для выходного каскада мощностью 100 Вт мы выбрали замечательный транзистор FDP047N10 фирмы Fairchild Semiconductor, имеющий RDS(ON) = 3.9 мОм и CRSS = 455 пФ, который управляется MOSFET драйвером с выходным током 1 А. Каскад нагружен сопротивлением 8 Ом, размах напряжения на нагрузке 50 В при частоте сигнала 100 кГц. Рассеиваемая транзисторами мощность не превысит:

PD = 0.0039×5 А + (455×10 –12 ×50 2 ×100×10 3 ×5 А) / 1 А = 0.0195 + 0.568 = 0.588 Вт

Если же выбрать транзистор FDP3651U, той же фирмы, с параметрами RDS(ON) = 18 мОм и CRSS = 89 пФ, рассеиваемая мощность будет равна:

PD = 0.018×5 А + (89×10 –12 ×50 2 ×100×10 3 ×5 А)/1 А = 0.09 + 0.111 = 0.201 Вт

Из приведенного примера несложно сделать заключение, что выбор MOSFET транзистора должен основываться не просто на величине сопротивления канала в открытом состоянии, а на оптимизации совокупности характеристик.

Хорошим дополнением к транзистору FDP3651U может быть драйвер MOSFET транзисторов LM27222 фирмы National Semiconductor с адаптивной защитой от сквозных токов, потенциально позволяющий снизить «мертвое время» до 10 нс, а ширину импульса, при соответствующем выборе транзистора, до 30 нс.

Выходной фильтр

С завершением создания выходного каскада тяжелая работа еще не заканчивается. Очередной критический каскад, требующих серьезных усилий от разработчика – выходной фильтр. Фильтр должен убрать импульсы из выходного сигнала и сузить полосу сигнала, оставив лишь полезную, слышимую часть до 20 кГц. Некоторые конструкторы полагаются на естественную способность громкоговорителей отфильтровывать высокочастотные составляющие сигнала, но это делает результирующую передаточную функцию сильно зависящей от громкоговорителя. Серьезный разработчик, скорее всего, будет использовать пассивный фильтр с тщательно подобранными компонентами. Как правило, желательно иметь передаточную функцию с двумя полюсами, которую имеют, скажем, фильтры Баттерворта, Бесселя или Гаусса. Идеальная передаточная функция аудио фильтра в полосе звуковых частот должна иметь линейную фазовую характеристику, постоянную групповую задержку и эффективно ослаблять частоту ШИМ.

Через выходной фильтр протекают большие токи с большой скоростью нарастания dI/dt. Это необходимо учитывать при выборе катушки, чтобы минимизировать искажения звука, обусловленные нелинейными эффектами, проявляющимися, когда сердечник катушки близок к насыщению. Для эффективного подавления частоты ШИМ и предотвращения паразитного авторезонанса частота собственного резонанса катушки должны быть выше частоты коммутации и нескольких ее гармоник. Использовать алюминиевые электролитические конденсаторы крайне нежелательно. Нужно выбирать из фторопластовых, полистирольных, поликарбонатных, или, даже, из полипропиленовых или майларовых конденсаторов. Некоторые из этих экзотических пленок достаточно дороги, зато предотвратят неприятную окраску звука, вносимую алюминиевыми конденсаторами.

Печатная плата

Большое значение имеет выбор правильной конструкции печатной платы, с минимальной паразитной индуктивностью проводников, в особенности тех, через которые протекает выходной ток, способный создавать крайне нежелательные эффекты. Вследствие своей импульсной природы, усилители класса D генерируют токи с большой скоростью нарастания dI/dt, которые вызывают как падение напряжения на паразитных элементах схемы, так, возможно, и «звон». Для управления этим явлением к выходу схемы могут добавляются демпфирующие цепи, а время нарастания импульсов, во избежание возникновения резонансных контуров, согласовывается с частотным спектром сигнала. Эти решения, безусловно, помогают решить проблему «звона», но, одновременно, ухудшают качество аудио сигнала и, поэтому, никогда не заменят хорошей трассировки платы, минимизирующей вариации импеданса на пути прохождения сигнала, и правильного выбора компонентов, учитывающего возможность возникновения паразитных явлений.

Еще один критический момент в конструировании усилителя – распределение питания, фильтрация и развязки. Это важно для поддержания малозашумленного, постоянно стабильного напряжения на шинах питания, в особенности, в несимметричной конфигурации с полумостовым выходом, когда любые возмущения с частотой ниже частоты среза фильтра передаются на громкоговоритель.

Есть еще множество параметров, мимо рассмотрения которых нельзя пройти при конструировании усилителя, но того, о чем рассказано в этой статье, должно быть достаточно, чтобы заложить добротную основу для разработки. Хорошая аудиосистема – это всегда продукт многомесячной работы, движения по пути, полному препятствий и компромиссов, движения, в которое вовлекаются ваши чувства и эмоции, в конце которого вас ожидает незабываемый момент.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Как работает усилитель класса D, или Не такой как все

При всем разнообразии схемотехнических решений, применяемых в усилителях звука, между ними можно без труда проследить преемственность и постепенное, эволюционное развитие. Сначала был класс А, потом В, потом АВ и все следующие за ним, которые по сути своей являются дальнейшим развитием класса АВ или А со всеми прилагающимися к этому достоинствами и недостатками. Но как же хорошо, что среди производителей Hi-Fi есть настоящие новаторы, которые не боятся внедрять смелые технологические решения! Иначе мы с вами никогда бы и не узнали о существовании усилителей класса D.

Читайте также:  Простой детектор скрытой проводки

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Принцип работы

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций, в том числе имеющих самостоятельные буквенные обозначения (классы T, J, Z, TD и другие), лежит принцип Широтно-Импульсной Модуляции или, сокращенно, ШИМ. Модуляция сигнала как метод существует довольно давно и используется как способ хранения и передачи информации. Суть ее заключается в том, чтобы модулировать полезным сигналом некую несущую частоту. Частота выбирается таким образом, чтобы ее было удобно передавать или записывать на носитель. Процесс воспроизведения подразумевает обратную последовательность: выделение полезного сигнала из модулированной несущей частоты. По такому принципу работает и цифровая техника, и радиосвязь, и теле-радиовещание. Тонкость состоит в том, что в случае с ШИМ преследуется совершенно иная цель. Модуляция позволяет привести сигнал в такой вид, чтобы его усиление было максимально простым и эффективным процессом.

В основе схемотехники класса D лежит генератор СВЧ-импульсов (исчисляемых сотнями МГц) несущей частоты и компаратор — устройство, модулирующие эти импульсы, соответственно форме входящего аналогового сигнала. Далее все просто. Модулированный сигнал имеет форму импульсов равной амплитуды, но разной продолжительности, которые усиливаются с помощью пары симметрично включенных быстродействующих транзисторов типа MOSFET. Далее в схеме используется простейший LC-фильтр, демодулирующий усиленный сигнал, а также отсекающий несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.

Упоминание транзисторов, используемых для усиления порождает резонный вопрос: «а не проще было бы сразу усилить аналоговый сигнал без всяких модуляций?». И именно этот вопрос раскрывает суть усилителей класса D. В обычных усилителях классов A, B, G и прочих их производных транзистор работает с широкополосным сигналом, постоянно меняющимся и по амплитуде, и по частоте. Поведение даже самого лучшего транзистора на разных амплитудах и частотах не 100% одинаково, что неизбежно приводит к искажениям, которые мы знаем как окрашенность или «характер» усилителя. Модулированный сигнал в усилителях класса D меняется дискретно и на полную амплитуду. Таким образом, режим работы транзисторов существенно упрощается и становится куда более прогнозируемым. По сути, они выступают в роли ключа, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии без промежуточных значений.

Все, что требуется в таком режиме от транзистора — максимально быстро реагировать на изменение уровня сигнала, а поведение его на промежуточных значениях амплитуды не имеет значения. Кроме того, данный режим работы транзистора крайне положительно сказывается на энергоэффективности усилителя, доводя его теоретический КПД до 100%.

Второй наиболее очевидный вопрос касается сходства модулированного аналогового и цифрового сигналов. Обычно это даже не вопрос, а утверждение: «Усилитель класса D — цифровой, а значит правильно подавать на его вход цифровой сигнал, а не аналоговый». Процесс модуляции аналогового сигнала на входе усилителя класса D, действительно, очень напоминает то, что происходит в АЦП при оцифровке звука, однако принцип модуляции принципиально отличается от того, что используется в формате PCM.

Именно по этой причине цифровые входы интегрированных усилителей, работающих в классе D, используют вполне традиционную схему ЦАПа, с аналогового выхода которой сигнал и поступает на вход платы усилителя мощности. Таким образом, аналоговый сигнал является основным и естественным входящим сигналом для усилителей класса D.

Впрочем, существуют и исключения, которые, если разобраться более детально, ничего не меняют в общей картине, а лишь дополняют типовую схемотехнику класса D. Небезызвестный Питер Лингдорф, еще будучи разработчиком в компании NAD, успешно реализовал схему прямого преобразования PCM-потока напрямую в формат ШИМ без традиционной процедуры цифроаналогового преобразования. Эта технология получила название Direct Digital, или говоря по-русски: прямое усиление цифрового сигнала.

Таким образом удалось сократить протяженность и понизить сложность звукового тракта, а единственное цифроаналоговое преобразование в подобной схеме производится непосредственно перед акустическими клеммами. Однако стоит заметить, что для работы такого усилителя с аналоговым сигналом он должен также иметь и классический входной каскад, использующийся в традиционных усилителях класса D.

На текущий момент технология прямого усиления «цифры» еще не стала массовым явлением, вероятно, потому что г-н Лингдорф грамотно оформил патентные права на технологию или просто предпочитает не раскрывать коллегам всех секретов. Но не так давно подобная схема была успешно реализована в портативной технике, что позволяет надеяться на более широкое распространение технологии в будущем. Не исключено, что спустя некоторое время класс D действительно станет цифровым усилителем.

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

Особенности

Описание плюсов и минусов схемотехники класса D дают совершенно недвусмысленные намеки на то, чем в первую очередь должны заниматься разработчики, которые стремятся добиться от усилителей максимального качественного звука.

Проблему питания усилителей класса D разработчики решают двумя способами. Одни идут проверенным путем, используя классические линейные блоки питания с огромными тороидальными трансформаторами и прочими классическими решениями. Но есть и другой путь, которым идет меньшая часть разработчиков. При должном умении вполне можно создать малошумящий импульсный блок питания, пригодный для установки в усилителях высшего класса качества. И именно они способны дать фору самым мощным и солидным линейным блокам питания за счет лучшего КПД и быстродействия, а как следствие — лучшей динамики звучания и мгновенной реакции усилителя на большие перепады уровней сигнала.

Что же касается специфики работы самого усилителя класса D, его схемотехника обеспечивает существенно более высокий коэффициент демпфирования в сравнении с классом АВ и другими схемотехническими решениями. Это гарантирует не только стабильную работу со сложной нагрузкой, быстрый, четкий бас и большой динамический диапазон, но также обеспечивает меньший уровень искажений, отсутствие каши, вялой атаки или смазывания фронтов и самое главное — способность усилителя одинаково справляться с совершенно разноплановой музыкой.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п.

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Выводы

Все основные преимущества класса D вполне подтверждаются практикой. Но если с точки зрения энергопотребления и других измеряемых характеристик ситуация абсолютно очевидная и бесспорная, звучание по-прежнему остается вопросом дискуссионным. Класс D в чистом виде дает максимально качественный и, как следствие, — нейтральный, не окрашенный звук. Такое придется по вкусу далеко не всем и с наименьшей степенью вероятности порадует тех, чьи предпочтения формировались через прослушивание ламповой и прочей ретро-техники. С этой точки зрения разработчики Marantz продемонстрировали житейскую мудрость, придав своему усилителю фирменный характер звучания путем установки оригинальных модулей предварительного усиления. Одновременно с этим существуют другие производители, в том числе адепты максимально точного и нейтрального звучания, которые используют потенциал класса D, согласно своим представлениям о прекрасном.

Читайте также:  Универсальный садовый инструмент с помощью которого можно удалять сорняки, посадить или пересадить любое растения

В целом же, вывод такой: если производитель не экономил на ключевых элементах схемы, в результате мы получаем усилитель максимально близкий к совершенству. Остальное — дело вкуса.

Другие материалы цикла:

Статья подготовлена при поддержке компании «Аудиомания», тестирование усилителей проходило в залах прослушивания салона.

Полезные материалы в разделе «Мир Hi-Fi» на сайте «Аудиомании» и Youtube-канале компании:

Усилитель D-класса на микроконтроллере


Усилители D-класса очень просты в изготовлении, обладают высоким КПД и позволяют получить большие мощности при малых затратах. Они используют ключевые режимы работы выходных каскадов, превращая сигнал в последовательность мощных импульсов, которые затем, проходя через фильтр, частью которого может быть сам динамик или аккустическая система, освобождаются от высокочастотных составляющих, превращаясь в звук.

Наш американский коллега болгарского происхождения, Руслан Димитров, разработал усилитель мощностью 70 Вт при питании всего 12 вольт, причем поступил крайне нестандартно: в качестве основного элемента усилителя он применил микроконтроллер attiny45.

Выходные транзисторы, включенные по мостовой схеме, не нуждаются в радиаторах, в схеме нет никаких обратных связей. Мощность ограничена двумя факторами:

  1. точность цифрового тракта. увеличение усиления в “цифре” снизит качество при малых уровнях.
  2. ток стока MOSFET. применены транзисторы на 6 ампер, что дает в идеале 144 Вт мощности на нагрузке 4 Ом, или 72 Вт на нагрузке 2 Ома.

Для управления мостовым выходным каскадом использованы два имеющихся в микроконтроллере attiny45 аппаратных 8-битных ШИМ-модуля. На полной мощности используются все 8 бит, что дает весьма неплохое качество звука, однако на малых мощностях происходит резкое ухудшение, ведь при мощности 1% от максимальной реально используется всего 2 бита!

Чтобы обойти эту проблему, автор использовал прием, давно применяемый в компьютерной графике, называемый размазыванием (dithering). В графике таким способом получат визуально более богатую палитру изображения путем определенного перемешивания пикселей более бедной палитры (кстати, автор работает в компании nVidia – это о чем-то да говорит!). Руслан счел, что этот прием даст положительный эффект и для звука, и, по его словам, не ошибся.

Реализацию этого метода он сделал путем несимметричного управления плечами выходного моста: одно плечо управляется непосредственно ШИМ-сигналом, получаемым из АЦП водного сигнала, а вот второе плечо управляется “размазанным” ШИМ-сигналом. Рисунок поясняет сказанное.


Автор утверждает, что этот прием на слух дает очень заметный эффект: отказ от размазывания дает очень искаженный звук на малых сигналах.

Схема приведена на следующем рисунке (кликабельно). Как видите, она очень проста и практически не нуждается в пояснениях. Автор использовал светодиоды в качестве стабилитронов – это возможно, хотя и с моей точки зрения не является необходимым.

L1C4 – это выходной фильтр. Индуктивность образована 6 витками толстого провода на кольце из блока питания компьютера. Выходной ШИМ работает на частоте 64 КГц, по которой и можно провести расчет выходного фильтра. R9C6 это входной фильтр, необходимый для качественной работы АЦП микроконтроллера, работающего на частоте 78 КГц. Исходный текст управляющей программы очень прост, скачать его можно с нашего сайта.

Усилитель собран на макетной плате, т.е. печатная не разрабатывалась. При повторении, с моей точки зрения, следует разработать печатную плату, тщательно разделив цепи силового питания и земли от слаботочной части схемы – входа и микроконтроллера. Очевидно, светодиоды в схеме моста можно заменить на стабилитроны, а для питания микроконтроллера использовать обычный стабилизатор на микросхеме 7805 или аналогичной. Автор не имеет приборов для измерения параметров качества звука, но утверждает, что на слух усилитель звучит весьма достойно – он применил его для фронтальных колонок своего автомобиля.

Все рисунки и фотографии сделаны автором, права на них принадлежат ему.

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:

  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.


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.

НаименованиеОписаниеСтерео/моноPвых, ВтRнагр. (min), ОмНапряжение питания, BНелин. искаж. на мощн. P/2 THD+N* (%), f=1кГцКоэфф. подавл. помех по цепям питания дБКорпус
(min)(max)
TPA2017D2SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейсСтерео2,842,55,50,280QFN-20
TPA2000D2усилитель средней мощностиСтерео2,534,55,50,0577TSSOP-24
TPA2000D4усилитель для стерео телефоновСтерео2,543,75,50,170TSSOP-32
TPA2012D2усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 ммСтерео2,142,55,50,275WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейсСтерео1,782,55,50,280WCSP-16
TPA2001D2усилитель низкой мощностиСтерео1,2584,55,50,0877TSSOP-24
TPA2100P1для пьзокерам. излучателяМоно19 Vpp1,5 мкФ (пьезо)2,55,50,290WCSP-16
TPA2035D1дифф. вход, 1,5 х 1,5 ммМоно2,7542,55,50,275WCSP-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

НаименованиеОписаниеPвых, ВтRнагр. (min), ОмНапряжение питания, BНелинейные искажения на половинной мощности THD+N* (%), f=1кГцКоэффициент подавления помех по цепям питания дБКорпус
(min)(max)
TAS5630B300 Вт усилитель (стерео) с ОС40022552,50,0380QFP-64, PSOP-44
TAS5615A160 Вт усилитель (стерео) с ОС300218380,0380QFP-64, PSOP-44
MP772020 Вт усилитель (моно)2049,5240,0460SOIC-8
MP778180 Вт усилитель80418380,160SOIC-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.

Вместе со статьей “Усилитель класса D” читают:

Усилитель класса D – Схема на 120 ватт

Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.

Преимущества усилителей D класса

Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).

Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.

Цифровой или все-таки импульсный?!

Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями. Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.

Кратко о принципе работы усилителя

Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.

Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы. В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.

Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.

Ключевые рекомендации

При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.

Читайте также:  Как переделать аккумуляторный шуруповерт на 220 В

Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:

Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.

При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств. Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.

Практическая часть: схема усилителя класса D

В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.

Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей. Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.

КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

Простой усилитель класса Д

СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА D

Небольшой обзор способов построения усилителей мощности звуковой частоты класса D с использованием микросхем на различную мощность и различные технические характеристики.
На странице используются материалы журналов:
“Радиохобби” №5 за 2000г.
“Радиохобби” №1 за 2004г.
“Радиохобби” №3 за 199г.

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

ИМС TPA005D14 фирмы Texas Instruments (ориент. цена $4,4) содержит (блок-схема на рис. 1) 2 мостовых УМЗЧ класса D с балансными входами (LINP/LINN, RINP/RINN), развивающих на 4-омной нагрузке по 2 Вт (до 5 Вт пиковой; LOUTN/LOUTP, ROUTN/ROUTP) при коэффициенте гармоник до 0.4%, а также 2 УМЗЧ класса АВ для головных телефонов (входы HPLIN/HPRIN, выходы HPLOUT/ HPROUT), развивающих по 50 мВт на нагрузке 32 Ома при коэффициенте гармоник до 0,05%. Все характеристики гарантируются при напряжении питания 5 В, что делает ИМС очень привлекательной для устройств с автономным питанием. На рис.2 дано сравнение потребляемого тока в функции выходной мощности для ТРА005 (нижний график) и аналогичного по мощности усилителя класса АВ (ИМС ТРА0202, верхний график), из которого видно, что при мощности 1-2 Вт срок жизни батарей продлевается в 2-3 раза. График зависимости КПД от выходной мощности приведен на рис.3. Встроенный задающий генератор RAMP GENERATOR (рис.1 ) рабо-тает на частоте 150 – 450 кГц (задается внешним конденсатором на выводе 48 – Cose), обычные 400 для современных здо ИМС УМЗЧ системы защиты от перегрева и перегрузки системой отключения при снижении питающего напряжения.Рекомендуемая схема включения приведена на рис.4. Если нет необходимости применять балансные входы, то LINN и RINN можно оставить «в воздухе». Низкий ло-гически и уровень на вхо-дах MUTE и SHUTDOWN приводит соответственно к приглушению и отключению (в последнем случае потребляемый ток снижается до 0,2 мкА). Напряжение на входе MODE управляет включением основного усилителя (MODE = 0) с одновременным приглушением телефонного и наоборот (MODE =1). Логические уровни на выводах FAULT можно использовать для диагностики: FAULTO=FAULT1=1 со-ответствуют нормальной работе, FAULTO=FAULT1=0-TepMo-защита включена, FAULTO=0/FAULT1=1 – напряжение пита-ния ниже допустимого, FAULTO=1/FAULT1=0 – перегузка вы-хода по току. Входное сопротивление основного усилителя (LINP/LINN, RINP/RINN) 10 кОм, телефонного (HPLIN/HPRIN) 1 МОм, динамический диапазон соответственно 70 дБ и 90 дБ, диапазон усиливаемых частот 20-20000 Гц (-3 дБ) у обо-их, коэффициент передачи 20 дБ. Максимальный выходной ток основного усилителя – 5А. ИМС выполнена в корпусе TSSOP48

ИМС 10-ваттного УМЗЧ SGS-Thomson TDA7480 (цена около $1,4) выполнена в 20-выводном корпусе DIP20 (шаг 2,54 мм), также не требует внешнего радиатора и очень удобна для применения в телевизорах. Типовая схема включения приведена на рис.6, а рисунок печатной платы – на рис.7. Частота встроенного опорного генератора задается в пределах от 100 до 200 кГц резистором R4 (диапазон изменения его сопротивления – от 7 кОм для максимальной частоты до 14 кОм для минимальной).

При максимальной выходной мощности 10 Вт на корпусе микросхемы рассеивается 1,8 Вт, что при тепловом сопротивлении 80 °С/Вт может привести к перегреву. Для предотвращения этого при постоянной работе в режиме с максимальной мощностью ИМС рекомендуется монтировать с тепловым контактом нижней поверхности корпуса и фольги печатной платы. При этом тепловое сопротивление снижается в зависимости от площади фольгированного участка в соответствии с графиком рис.8 и тепловой режим значительно облегчается (достаточна площать фольги 12 см2). Типовый коэффициент гармоник 0,1%, КПД 85%, диапазон напряжений питания ±10. ..±13 В, максимальный выходной ток 5 А, ток потребления в паузе 30 мА (в режиме Stand-By не более 3 мА; для перевода в Stand-By потенциал вывода 12 должен быть не выше 0,7 В). Входное сопротивление 30 кОм, коэффициент передачи 30 дБ, приведенное ко входу напряжение собственных шумов мощность на нагрузке 4 Ома достигает 170 Вт , на нагрузке 8 Ом – 90 Вт, КПД 85%, ток потребления в паузе 125 мА, в режиме STDBY17 (переключатель S1) мА. Рассеиваемая на обеих микросхемах мощность в самом неблагоприятном режиме не превышает 22 Вт, что позволяет обойтись небольшим радиатором. Типовый коэффициент гармоник 0,3 %.Напряжение питания ±11. ±22 В.

На рис. 15 показаны конструктивные размеры (в дюймах и в скобках – в миллиметрах) обеих ИМС – LM4651N (сверху) + LM4652TF (снизу).
На рисунках приведены типовые зависимости максимальной выходной мощности от напряжения питания (рис. 16), коэффициента гармоник от выходной мощности (рис. 17, слева для нагрузки 4 Ома, справа – 8 Ом), рассеиваемой мощности и КПД от выходной мощности (рис. 18), максимальной мощности и КПД от частоты опорного генератора (рис.19), тока котребления в паузе от частоты опорного генератора (рис.20).

Ниже приведенный материал был взят с сайта “МАСТЕР КИТ”

Предлагаемый набор позволит радиолюбителю собрать надежный мощный усилитель НЧ работающий в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме, обеспечивая выходную мощность 80 Вт в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт. Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера.

Описание работы модуля

Принцип работы усилителя класса D (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте), ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция – ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием полевых транзисторов, работающих в ключевом режиме. Это позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя.

Двухканальный усилитель НЧ состоит из трех конструктивно объединенных блоков – микросхемы контроллера (DA1), микросхемы мощного оконечного каскада (DA2) и пары демодулирующих LC фильтров второго порядка (L5, C36 и L6, C37). Микросхема контроллера (DA1) предназначена для формирования ШИМ сигнала на рабочей частоте Fраб = 360 кГц с использованием входного музыкального сигнала. Микросхема DA1 содержит два идентичных канала формирования сигнала, генератор рабочей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом на DA2.

Двуполярное напряжение питания подается на контакты Х1 (+), Х2 (общий) и Х3 (-).

В стереофоническом режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN1), Х2 (+IN1) и Х3 (-IN2), Х4 (+IN2). Нагрузка подключается к Х5 (-OUT2), Х6 (+OUT2) и Х7 (-OUT1), Х8 (+OUT1).

В мостовом моно режиме источник сигнала подключается к Х1 (-IN), Х2 (+IN) или Х3 (-IN), Х4 (+IN). Нагрузка подключается к Х8 (+OUT) и Х5 (-OUT).

Для выбора стереофонического режима работы перемычки J1 и J4 необходимо замкнуть, а перемычки J2 и J3 должны находится в разомкнутом состоянии.

Для выбора мостового режима работы перемычки J1 и J4 необходимо разомкнуть, а перемычки J2 и J3 необходимо замкнуть между собой так, чтобы замкнулись ножки микросхемы DA1 4-8 и 5-9. Это делается при помощи самостоятельно изготовленного шлейфа.

Переключатель SW1 предназначен для управления режимом работы усилителя (ON/MUTE/OFF). При установке перемычки в положение “1” усилитель переходит в состояние ON (Вкл), в положение “2” – в состояние MUTE (Пауза) и при “3” – в состояние OFF (Выкл).

Конструктивно усилитель выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита с размерами 62×73 мм. Конструкция предусматривает установку платы в корпус, для этого имеются монтажные отверстия по краям платы под винты диаметром 2,5 мм.

Микросхему оконечного усилителя (DA2) при необходимости можно установить на теплоотвод (в комплект набора не входит). Поскольку КПД УМ составляет 94 % – тепловые потери минимальны даже на максимальной мощности. Площадь и конструкция радиатора подбирается пользователем самостоятельно. При монтаже рекомендуется использовать теплопроводную пасту типа КТП-8, для повышения надежности работы ИМС. Между корпусом микросхемы и радиатором необходимо установить диэлектрическую теплоизоляционную прокладку.

УМЗЧ усилители класса D усилители мощности ШИМ цифровые усилители мощности звуковой частоты класса D интегральные усилители мощности класса D УМЗЧ УМНЧ УНЧ класса D

Принципиальная схема УМЗЧ класса D УВЕЛИЧИТЬ

При самостоятельной сборке рекомендуется воспользоваться печатными платами, черетежи которых приведены ниже, поскольку усилитель весьма капризен к разводке проводников.

Мощный УНЧ класса “D” 140 Вт или 2х80 Вт

Эта статья посвящена мощному усилителю НЧ работающему в классе D (с ШИМ модуляцией несущей воспроизводимой фонограммой). Усилитель может работать как в стереофоническом режиме обеспечивая выходную мощность 80 Вт (4 Ом) в каждом из двух каналов, так и в мостовом – при этом на нагрузке максимальная мощность составит 140 Вт (8 Ом). Усилитель хорошо зарекомендовал себя как УНЧ для сабвуфера. УМ обладает высокими эксплуатационными характеристиками, высокой надежностью, простотой в изготовлении/подключении и оптимальным соотношением цена/качество, что на сегодняшний день является немаловажным фактором. Собрать устройство можно из набора МАСТЕР КИТ NM2045 .

Принцип работы усилителя класса “D” (DIGITAL) состоит не в прямом усилении музыкального сигнала, а в усилении импульсного сигнала прямоугольной формы (на несущей частоте) ширина импульсов которого промодулирована воспроизводимой фонограммой (широтно-импульсная модуляция – ШИМ). При усилении импульсного сигнала оконечный мощный каскад можно построить с использованием ПТ работающих в ключевом режиме, что позволяет поднять КПД всего УМ до 95% и максимально снизить тепловые потери. Далее, усиленный промодулированный сигнал поступает на демодулирующий LC фильтр, где несущая отфильтровывается, а звуковой сигнал подается на головку громкоговорителя. Блок-схема такого устройства приведена на рис.1.

Рисунок 1. Блок-схема усилителя класса “D”

Фирма Philips выпустила набор микросхем, позволяющих реализовать данный схемотехнический принцип и построить высококачественную усилительную систему класса “D”. Этот набор состоит из двух ИМС – микросхемы драйвера (TDA8929T) и микросхемы мощного ключевого оконечного каскада (TDA8927J). Микросхема драйвера выпускается только в корпусе с планарными выводами и содержит два идентичных канала формирования ШИМ сигнала, генератор несущей частоты и цепи управления мощным оконечным каскадом. Микросхема оконечного каскада выпускается в выводном корпусе типа DBS17P и содержит два идентичных ключевых УМ. Эту ИМС при умеренных нагрузках совсем не обязательно устанавливать на радиатор – поскольку КПД всей системы составляет около 95% и выделяемая тепловая мощность крайне мала. Используя эти микросхемы можно построить двухканальный УМ развивающий мощность 80Вт в каждом канале на нагрузке 4 Ом, или мостовой одноканальный усилитель. При этом мощность на нагрузке возрастет в 4 раза.

Перед специалистами МАСТЕР КИТ была поставлена, и успешно решена задача по подготовке технической документации и выпуску такого УНЧ для использования в Hi-Fi звуковой технике.

Радиолюбители сами могут развести печатную плату, однако нужно учитывать, что это очень ответственная и серьезная работа. Не все знают, что, например, неправильная трассировка печатных проводников в мощном усилителе, может в десятки раз увеличить уровень его нелинейных искажений или даже сделать вообще неработоспособным. Поэтому для разработки печатных плат привлекались профессиональные конструкторы, специализирующиеся в этой области.

Таблица 1. Технические характеристики

Ссылка на основную публикацию