Підсилювач D-класу. Підсилювач звуку для авто

Підсилювач D-класу. Підсилювач звуку для авто

Технологія посилення звукових сигналів розвивається вже протягом 15-20 років. Вона має цілком певні переваги перед тією, що реалізована в широко поширених аудіопідсилювачах класів A або AB. Ми маємо на увазі підсилювач D-класу. Його перевага обумовлена 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 за 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 досить низький ККД. Ці пристрої зазвичай призначені для високоякісних аудіоприкладів, 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 у пристроях типу A. Підсилювач класу AB комбінує особливості обох попередніх з метою отримання кращого ККД, ніж у класі A, але менших спотворень, ніж у типі B. Хоча ці пристрої добре підходять для малопотужних приладів, або в кращому випадку середньої потужності, тенденцією останніх Колись 30 Вт вважалося цілком достатньо, щоб задовольнити більшість споживачів. Тепер же цього навряд чи вистачить, щоб створити якісний стереопідсилювач звуку для авто. В результаті були створені нові їх класи, включаючи і клас D, щоб впоратися з цією високою потужністю споживання.


У чому переваги пристроїв D-класу

Архітектура їх повністю відрізняється від підсилювачів інших перерахованих вище класів і аналогічна схемам імпульсних джерел живлення (ІБП). Підсилювач D-класу також заснований на використанні високочастотної широтно-імпульсної модуляції (ШИМ, 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 електропотир (витвір струму на падіння напруги) 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 МОТ-транзисторів. Підсилювач D-класу може досягати дуже високого рівня енергоефективності, що призводить до значної економії енергії джерела живлення. Однак перетворення вхідного аудіосигналу на ШИМ-сигнал, що супроводжується його квантуванням, саме може викликати більше спотворень на виході, ніж у підсилювачі іншої 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 досягає 100%, і понад 90% досяжно на практиці. Зверніть увагу, що він досягає значень в 90% вже при помірній вихідній потужності, тоді як максимум ККД в класі AB в 78% виходить тільки при повній потужності. У практичному ж посиленні музичних сигналів реалізується ККД менш 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 тепловідведення. Той, хто побудував або бачив потужний аудіопідсилювач, напевно знає, що для підтримки відносно 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 радіолюбитель не побачить у цій конструкції нічого такого, що змусило б його відмовитися від її власноручної реалізації.


Область переважного використання

Якщо заглибитися в деталі цієї технології, можна помітити, що хороший (низький рівень спотворень, повний діапазон) підсилювач потужності D-класу повинен 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.

Однак з часом все змінилося, і завдяки сьогоднішній швидкодії транзисторних ключів, використанню 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, генератора трикутного сигналу і декількох блоків для перетворення вхідного сигналу перед подачею його на вихідні МОТ-транзистори. Схема такого аудіопосилювача показана на малюнку нижче.

Звуковий сигнал спочатку перетворюється на імпульсний широтно-модульований (скорочено ШИМ). Подібно до сигналів у схемах цифрових пристроїв, які приймають всього два рівні - 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 нескінченне число значень на будь-якому інтервалі тривалості імпульсу ШИМ-сигналу, всього однією величиною цієї тривалості призводить до втрати інформації. Але чим більше частота прямування імпульсів, тим точніше відтворюється згодом звук. Як 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 ШИМ-сигнал, проходячи далі через вихідний фільтр нижніх частот, знову перетворюється на аналогову форму, що представляє посилений вхідний сигнал.

Ще раз про потужність, що розсіюється вихідними транзисторами

Простий підсилювач звуку (класу A або AB) має принаймні один з вихідних пристроїв (у вигляді біполярного або польового транзистора), який проводить струм у будь-який момент часу. Поточний через нього струм I проходить через перехід колектор-еміттер (або сток-істок), де є деяке падіння напруги U. Навіть якщо немає вихідного сигналу, невелика кількість струму має протікати через транзистор. Оскільки величина P = U * I визначає розсіювану потужність, то деяке теплове розсіювання на ньому має місце. Зі збільшенням вихідної напруги рівень заряду на транзисторі буде падати, але поточний струм при цьому збільшиться. При насиченні (відсічці) напруга між колектором і еміттером (стоком-витоком) буде низькою, але поточний струм стане досить високим. І навпаки, при низькому рівні вихідної потужності поточний струм невеликий, але велике падіння напруги. Це призводить до кривої розсіюваної потужності, яка залежить нелінійно від вихідної потужності. Існує ненульове мінімальне теплове розсіяння (мінімальний ККД) і точка, де досягається ККД близько 78% у пристрої чистого класу AB, і 25% або менш - у класі A.

Простий підсилювач звуку класу D, з іншого боку, засновує свою роботу на перемиканні вихідного транзистора між двома станами, а саме "Увімкнено" і "Вимкнено". Перш ніж обговорювати конкретні подробиці схем, ми можемо сказати, що в стан "Включено" певна кількість струму протікає через пристрій, в той час як теоретично на переході сток-істок практично не падає напруга, що подається від джерела живлення (так, майже кожен пристрій класу D використовує МОТ-транзистори), отже, розсіювана потужність У вимкненому стані падіння напруги буде дорівнює повній напрузі харчування, так що транзистор подібний до розімкнутої ділянки ланцюга, через який струм не тече (що дуже близько до реальності).


Що таке ШИМ-сигнал?

Вихідні транзистори підсилювача D-класу можуть створювати на виході посилювального каскаду всього два рівні напруги, що відповідають двом вищезазначеним станам. У такому випадку 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 подібна модуляція і як відновити посилений звуковий сигнал з імпульсного. Найбільш поширеним способом, який використовується у пристроях класу D, є ШИМ прямокутних імпульсів. Хоча частота прямування останніх фіксована, тривалість їх змінюється залежно від вхідного звукового сигналу. Таким чином, коли вхідний сигнал збільшується, тривалість імпульсів наростає, а паузи між ними скорочуються, і навпаки.

Схема, що генерує ШИМ-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 В відповідає логічному нулю, а 5 В - логічній одиниці. Через цю квазіоцифровку ШИМ-сигналу підсилювачі, які використовують його, іноді помилково називають цифровими підсилювачами. Насправді весь процес є більше аналоговим, ніж цифровим. Швидше за все, ШИМ-сигнал можна віднести до дискретних сигналів, а частота проходження його імпульсів є частотою дискретизації вихідного аналогового сигналу.

Як генерується ШИМ-сигнал

Нижченаведений малюнок ілюструє, як звуковий сигнал перетворюється на форму ШІМ з використанням компаратора, який порівнює аудіосигнал, що складається з синусоїдальних хвиль-гармонік порівняно низької частоти, з трикутним сигналом набагато вищої частоти.

На виході компаратора формується високий рівень, якщо миттєве напруження трикутної хвилі нижче, ніж у звукового сигналу, або низький, якщо воно вище. Логіка цього перетворення може бути і зворотною. Тоді високий рівень сформується, якщо трикутний сигнал перевищить синусоїдальний, а низький - в іншому випадку, як показано на малюнку нижче.


У будь-якому випадку вихід компаратора складається із серії імпульсів, чия ширина змінюється залежно від миттєвого рівня вхідного сигналу. Середній рівень ШИМ-сигналу має ту ж форму, як і вихідний звуковий сигнал.

Як відновити аудіосигнал з ШИМ-сигналу

Щоб отримати з дискретного ШИМ-сигналу точну копію вхідного аналогового напруження, частота його дискретизації повинні бути набагато вищою, ніж максимальна частота в його спектрі. Згідно з теоремою Найквіста (у вітчизняній теорії електрозв 'язку використовується її аналог - теорема Котельникова), це перевищення повинно бути, принаймні, подвійним, проте у високоякісних підсилюваннях з низьким рівнем спотворень використовують велику кратність (зазвичай від 5 до 50).

ШИМ-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 видалені для того, щоб відновити оригінальний модулюючий звуковий 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 ШИМ-сигналу. Він може бути реалізований як зовнішній, автономний 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 на мікросхемі мікроконтролера характеризується наступним:


  • частота ШИМ-сигналу (дискретизації) повинна бути не менше ніж у 10 разів вище, ніж максимальна частота вхідного сигналу, щоб можна було його адекватно реконструювати на виході підсилювача;
  • високою дозволяючою здатністю процесу управління шириною ШИМ-імпульсів для запобігання спотворенням квантування вихідного сигналу;
  • наявністю методу взяття вибірок вхідного аналогового сигналу;
  • швидкодіючим ядром для цифрової обробки та управління даними;
  • інтерфейсом для передачі ШИМ-сигналу на зовнішні MOSFET-транзистори.

Прикладом реалізації пристрою, здатного задовольнити всі ці вимоги, є 32-розрядний мікроконтролер типу SiM3U1xx з швидкодіючими периферійними пристроями введення/виведення 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 аудіопідсилювача 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, заощаджуючи при цьому час і обсяг пам 'яті. Оскільки вони живляться окремим від решти частини пристрою напругою, то їх можна підключати до зовнішніх потужних МОТ-транзисторів.

SiM3U1xx-пристрої також включають USB-трансівер, сумісний з USB-аудіоінтерфейсом, вбудовану флеш-пам 'ять на 256 Кб, два 12-розрядних аналого-цифрових перетворювача, що здійснюють оцифрування потокового аудіо з ПК або портативного музичного проєктування Структурна схема пристрою показана на малюнку. Воно цілком може використовуватися як підсилювач в машину.