Wzmacniacz klasy D. Wzmacniacz audio do samochodów

Technologia wzmacniania sygnałów dźwiękowych rozwija się przez 15-20 lat. Ma on pewne zalety w stosunku do tego, które jest realizowane w popularnych wzmacniaczach audio klasy A lub AB. Mamy na myśli wzmacniacz klasy D. Jego zaletą jest przede wszystkim wysoka wydajność.

Klasy wzmacniaczy samochodowych

Wzmacniacz samochodowy pracujący w klasie A składa się z etapów tranzystorowych, które są włączane (przewodzenie) zarówno podczas całego czasu trwania wejściowego sygnału audio, jak i podczas jego braku. Ma niski poziom zniekształceń wzmocnionego wyjściowego sygnału audio, ponieważ jego tranzystory działają na liniowych odcinkach ich charakterystyk iw pełni przekładają sygnały wejściowe na wyjście obwodu, ale jednocześnie mają bardzo niską sprawność. Urządzenia te są zwykle zaprojektowane dla wysokiej jakości aplikacji audio, dla których problemy z utratą zasilania nie są decydujące. Tranzystory wzmacniacza klasy B przenoszą tylko ujemne lub dodatnie półfale sygnału wejściowego. Co więcej, obecność martwych stref w pobliżu znaku zerowego prowadzi do wysokiego poziomu zniekształceń. Jednak ten efekt zapewnia znacznie lepsze właściwości niż w urządzeniach typu A. Wzmacniacz klasy AB łączy cechy obu poprzednich w celu uzyskania lepszej wydajności niż w klasie A, ale mniej zakłóceń niż w typie B. Chociaż te urządzenia dobrze nadają się do urządzeń o małej mocy, lub, w najlepszym razie, średniej mocy, tendencją ostatnich lat jest uwalnianie coraz mocniejszych wzmacniaczy. Kiedyś 30 watów zostało uznane za wystarczające, aby zadowolić większość konsumentów. Teraz nie wystarczy stworzyć wysokiej jakości wzmacniacz audio stereo dla samochodów. W rezultacie stworzono nowe klasy, w tym klasę D, aby poradzić sobie z tym wysokim zużyciem energii.

Jakie są zalety urządzeń klasy D?

Ich architektura różni się całkowicie od wzmacniaczy innych klas wymienionych powyżej i jest podobna do pulsacji źródła energii (UPS). Wzmacniacz klasy D opiera się również na zastosowaniu modulacji szerokości impulsu wysokiej częstotliwości (PWM lub PWM) w celu uzyskania sygnału wyjściowego. Tranzystory są albo całkowicie włączone (spadek napięcia na nich jest bardzo mały), albo całkowicie wyłączone (prąd przez nie jest bliski zeru). W obu przypadkach moc strat elektrycznych (iloczyn spadku prądu i napięcia) jest bardzo mała i z reguły tracą znacznie mniej energii w postaci ciepła. Tak więc architektura ta jest dobrze wdrożona na podstawie bardzo małych i niedrogich tranzystorów MOS. Wzmacniacz klasy D może osiągnąć bardzo wysoki poziom efektywności energetycznej, co prowadzi do znacznych oszczędności energii źródła zasilania. Jednak konwersja wejściowego sygnału audio na sygnał PWM, w połączeniu z jego kwantyzacją, może sama powodować większe zniekształcenia na wyjściu niż we wzmacniaczu o innej architekturze. Celem stworzenia urządzeń tej klasy było ograniczenie zniekształceń na niskich poziomach przy zachowaniu wysokiej efektywności energetycznej.

Porównanie wydajności wzmacniaczy różnych klas

Poniższy rysunek pokazuje typową zależność efektywności mocy wyjściowej dla urządzeń klasy D i AB. Teoretyczna maksymalna wydajność w klasie D sięga 100%, a ponad 90% jest osiągalne w praktyce. Zauważ, że osiąga on 90% już przy umiarkowanej mocy wyjściowej, podczas gdy maksymalna wydajność w klasie AB przy 78% jest uzyskiwana tylko przy pełnej mocy. W praktycznym zysku sygnałów muzycznych skuteczność jest mniejsza niż 50%. Wzmacniacz klasy D o wysokiej wydajności zużywa mniej energii na daną moc wyjściową, ale co ważniejsze, wymagania dotyczące radiatora są drastycznie zredukowane. Każdy, kto zbudował lub widział potężny wzmacniacz audio, prawdopodobnie wie, że duże aluminiowe radiatory są niezbędne do utrzymania stosunkowo niskiej temperatury elektroniki.

Załaduj transformator mocy również zmniejszone o znaczną ilość, pozwalając na użycie jego mniejszego rozmiaru dla tej samej mocy wyjściowej. Czy mogę zbudować wzmacniacz klasy D własnymi rękami?

Poniższy rysunek pokazuje takie urządzenie o mocy 400 watów. Wykwalifikowany amator radiowy nie zobaczy niczego w tym projekcie, który zmusi go do porzucenia jej pisma.

Podstawowy obszar użytkowania

Jeśli zagłębisz się w szczegóły tej technologii, zauważysz, że dobry (niski poziom zniekształceń, pełny zakres) wzmacniacz mocy klasy D powinien pracować na dość wysokich częstotliwościach, w zakresie od 100 kHz do 1 MHz, przy użyciu szybkich urządzeń sygnalizacyjnych i odpowiednich źródeł zasilania. . Początkowo doprowadziło to do użycia tej klasy, w której pełna przepustowość nie jest wymagana, a wyższy poziom zniekształceń jest dozwolony, to jest w subwooferach i urządzeniach do użytku przemysłowego.

Jednak z biegiem czasu wszystko się zmieniło, a dzięki dzisiejszym szybkim przełącznikom tranzystorowym, dzięki wykorzystaniu zaawansowanej technologii sprzężenia zwrotnego, urządzenia klasy D mogą być opracowywane do różnych zastosowań, w tym do wzmacniacza audio w samochodzie. Charakteryzują się wysokim poziomem mocy, niewielkimi rozmiarami i niskimi zniekształceniami, porównywalnymi do dobrej klasy projektowej AB.

Wzmacniacz klasy D: schemat strukturalny

Może być realizowany w formie analogowej lub cyfrowej. Wersja analogowa zwykle składa się z komparatora, trójkątnego generatora sygnału i kilku bloków do konwersji sygnału wejściowego przed zastosowaniem go do wyjściowych tranzystorów MOSFET. Schemat takiego wzmacniacza audio pokazano na rysunku poniżej. Sygnał audio jest najpierw konwertowany na modulowaną szerokość impulsu (w skrócie PWM). Podobnie jak sygnały w obwodach urządzeń cyfrowych, które akceptują tylko dwa poziomy - logiczny 1 i 0, ma również tylko dwa poziomy - wysoki i niski. Jednak zmienny poziom wejściowego sygnału audio jest zawarty w jego parametrze, takim jak czas trwania impulsu. Im większy sygnał wejściowy, tym krótszy impuls trwa. Oczywiście, takie zastąpienie sygnału analogowego, zdolnego do przyjmowania nieskończonej liczby wartości w dowolnym przedziale szerokości impulsu sygnału PWM, tylko jedna wartość tego czasu trwania powoduje utratę informacji. Im większa częstotliwość powtarzania impulsów, tym dokładniej dźwięk jest następnie odtwarzany. Jak dokładnie przekształca ją wzmacniacz klasy D? Obwód zawiera stopnie wyjściowe tranzystory polowe pokazano oddzielnie na obrazku poniżej. Wzmacniają one impulsy wejściowe bez wprowadzania jakichkolwiek zniekształceń do ich kształtu. Wzmocniony sygnał PWM, przechodzący dalej przez wyjściowy filtr dolnoprzepustowy, jest ponownie konwertowany do postaci analogowej, reprezentującej wzmocniony sygnał wejściowy.

Jeszcze raz o mocy rozpraszanej przez tranzystory wyjściowe

Prosty wzmacniacz audio (klasa A lub AB) ma co najmniej jedno z urządzeń wyjściowych (w postaci tranzystora bipolarnego lub polowego), który przewodzi prąd w dowolnym momencie. Przepływający przez nią prąd przepływa przez złącze kolektor-emiter (lub źródło drenu), gdzie występuje spadek napięcia U. Nawet jeśli nie ma sygnału wyjściowego, niewielka ilość prądu musi przepływać przez tranzystor. Ponieważ wartość P = U * I określa moc rozproszoną, ma miejsce pewne rozpraszanie termiczne. Wraz ze wzrostem napięcia wyjściowego poziom naładowania tranzystora spadnie, ale prąd wzrośnie. Przy nasyceniu (cut-off) napięcie między kolektorem a emiterem (źródłem drenu) będzie niskie, ale prąd prądowy stanie się dość wysoki. I odwrotnie, przy niskim poziomie mocy wyjściowej prąd jest mały, ale duży spadek napięcia. Prowadzi to do krzywej rozpraszania mocy, która zależy nieliniowo od mocy wyjściowej. Występuje niezerowe minimalne rozpraszanie ciepła (minimalna wydajność) i punkt, w którym wydajność około 78% osiąga się w urządzeniu klasy czystej AB i 25% lub mniej w klasie A.

Z drugiej strony, prosty wzmacniacz audio klasy D opiera swoją pracę na przełączaniu tranzystora wyjściowego między dwoma stanami, mianowicie "On" i "Off". Przed omówieniem konkretnych szczegółów obwodów możemy powiedzieć, że pewna ilość prądu przepływa przez urządzenie do stanu "On", podczas gdy teoretycznie przy przejściu dren-źródło, napięcie dostarczane ze źródła zasilania praktycznie nie spada (tak, prawie każde urządzenie D używa tranzystorów MOS), dlatego rozproszona moc jest teoretycznie zerowa. W stanie wyłączonym spadek napięcia będzie równy całkowitemu napięciu zasilania, tak że tranzystor jest jak otwarta sekcja obwodu, przez którą prąd nie płynie (co jest bardzo zbliżone do rzeczywistości).

Co to jest sygnał PWM?

Tranzystory wyjściowe wzmacniacza klasy D mogą wytworzyć na wyjściu stopnia wzmacniacza tylko dwa poziomy napięcia odpowiadające dwóm wyżej wymienionym stanom. W tym przypadku sinusoid nie może być reprezentowany przez te dwa możliwe poziomy. W rzeczywistości sygnał dźwiękowy moduluje czas trwania wyjściowych prostokątnych impulsów, które trwają od jednego stanu tranzystora do drugiego, dzięki czemu informacja o nim jest nadal przechowywana. Teraz musimy zrozumieć, w jaki sposób odbywa się ta modulacja i jak odzyskać wzmocniony sygnał dźwiękowy z impulsu. Najpopularniejszą metodą stosowaną w urządzeniach klasy D jest PWM o fali kwadratowej. Mimo że częstotliwość powtarzania tych ostatnich jest stała, ich czas trwania zmienia się w zależności od wejściowego sygnału audio. Tak więc, gdy sygnał wejściowy wzrasta, czas trwania impulsu wzrasta, a przerwy pomiędzy nimi są zmniejszone i na odwrót.

Obwód generujący sygnał PWM

Zwykle generowany jest przez porównanie sygnału wejściowego z trójkątnym układem impulsów. Oba sygnały są doprowadzane do wejścia komparatora, jak pokazano na poniższym rysunku. Trójkątne impulsy określają amplitudę wejściowego sygnału audio dla pełnej modulacji i częstotliwości przełączania wyjściowych tranzystorów. "Cyfrowe" wyjście komparatora wykorzystuje standardowe poziomy logiczne, gdzie 0 V odpowiada logicznemu zeru, a 5 V odpowiada logicznemu. Z powodu tej quasi-cyfryzacji sygnału PWM wzmacniacze używające go są czasami błędnie nazywane wzmacniaczami cyfrowymi. W rzeczywistości cały proces jest bardziej analogowy niż cyfrowy. Najprawdopodobniej sygnał PWM można przypisać dyskretnym sygnałom, a częstotliwość powtarzania jego impulsów jest częstotliwością próbkowania oryginalnego sygnału analogowego.

W jaki sposób generowany jest sygnał PWM

Poniższy rysunek ilustruje, w jaki sposób sygnał audio jest przekształcany w postać PWM za pomocą komparatora, który porównuje sygnał audio składający się z sinusoidalnych fal harmonicznych o stosunkowo niskiej częstotliwości z trójkątnym sygnałem o znacznie wyższej częstotliwości. Wysoki poziom jest tworzony na wyjściu komparatora, jeśli chwilowe napięcie fali trójkątnej jest niższe niż sygnału dźwiękowego, lub niskie, jeśli jest wyższe. Logika tej transformacji może być odwrotna. Następnie powstaje wysoki poziom, jeśli trójkątny sygnał przekracza sygnał sinusoidalny, a niski poziom - w przeciwnym przypadku, jak pokazano na poniższym rysunku.

W każdym przypadku wyjście komparatora składa się z serii impulsów, których szerokość zmienia się w zależności od chwilowego poziomu sygnału wejściowego. Średni poziom sygnału PWM ma taki sam kształt jak oryginalny sygnał audio.

Jak odzyskać sygnał audio z sygnału PWM

Aby uzyskać dokładną kopię wejściowego napięcia analogowego z dyskretnego sygnału PWM, jego częstotliwość próbkowania musi być znacznie większa niż maksymalna częstotliwość w jego widmie. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista (rosyjska teoria telekomunikacji używa jej analogu, twierdzenie Kotelnikova), ten nadmiar musi być co najmniej podwójny, jednak wysokiej jakości wzmacniacze o niskim poziomie zniekształceń używają dużego stosunku (zwykle od 5 do 50).

Sygnał PWM, wzmocniony przez wyjściowy stopień tranzystora, zawiera komponenty niskiej częstotliwości, które w pełni odtwarzają widmo wejściowego sygnału audio. Ale zawiera również komponenty o częstotliwości próbkowania (i jej harmonicznych), które muszą zostać usunięte, aby przywrócić oryginalny modulujący sygnał dźwiękowy. Do osiągnięcia tego celu potrzebny jest potężny filtr dolnoprzepustowy. Zwykle stosuje się jako filtr pasywny LC, ponieważ prawie nie ma w nim strat i ma niewielkie lub prawie żadne rozproszenie. Chociaż zawsze powinny występować pewne straty, w praktyce są one minimalne.

Cyfrowa realizacja

Wzmacniacz cyfrowy klasy D składa się z cyfrowych jednostek przetwarzania i transmisji danych zaimplementowanych na mikrokontrolerze oraz jednostki generującej sygnały PWM. Może być zaimplementowany jako zewnętrzne, samodzielne urządzenie do już ukończonego systemu audio. Prowadzi to jednak do dodatkowych kosztów (trzeba kupić i lutować chipy) oraz potencjalnego wzrostu kosztów debugowania interfejsu między źródłem wejściowym sygnału audio a wzmacniaczem.

Wzmacniacz dźwięku w mikroukładzie mikrokontrolera charakteryzuje się następującymi cechami:

• częstotliwość sygnału PWM (próbkowanie) musi być co najmniej 10 razy większa niż maksymalna częstotliwość sygnału wejściowego, aby można go było odpowiednio zrekonstruować na wyjściu wzmacniacza;

• wysoka rozdzielczość procesu sterowania szerokością impulsów PWM, aby zapobiec zniekształceniu kwantyzacji sygnału wyjściowego;

• obecność metody próbkowania wejściowego sygnału analogowego;

• szybki rdzeń do cyfrowego przetwarzania i zarządzania danymi;

• Interfejs do przesyłania sygnału PWM do zewnętrznych tranzystorów MOSFET.

Przykładem urządzenia zdolnego do spełnienia wszystkich tych wymagań jest 32-bitowy mikrokontroler typu SiM3U1xx o dużej prędkości urządzenia peryferyjne firma produkująca wejścia / wyjścia Silicon Labs (Austin, Texas, USA). Te mikrokontrolery są wyjątkowo dostosowane do nietradycyjnych zastosowań, takich jak wzmacniacze mocy klasy D, które bezpośrednio łączą się z głośnikami. Jedynymi zewnętrznymi komponentami wymaganymi dla wzmacniacza audio w SiM3U1xx są dławik i kilka kondensatorów. Urządzenia I / O mają również programowalne ograniczenie prądu, pozwalają na użycie do 16 poziomów głośności bez potrzeby stosowania oprogramowania układowego do skalowania danych audio, przy jednoczesnym oszczędzaniu czasu i pamięci. Ponieważ są one zasilane oddzielnym napięciem z reszty urządzenia, mogą być podłączone do zewnętrznych tranzystorów MOS dużej mocy.

Urządzenia SiM3U1xx zawierają również nadajnik-odbiornik audio USB kompatybilny z interfejsem audio USB, wbudowaną pamięcią flash o wielkości 256 KB, dwoma 12-bitowymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi, które przetwarzają dźwięk cyfrowy z komputera PC lub przenośnego odtwarzacza muzycznego. Schemat blokowy urządzenia przedstawiono na rysunku. Może być również używany jako wzmacniacz w samochodzie.