Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 15 ноября
 
 


 

30 января

Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества. Часть 1

В последние годы большой популярностью пользуются усилители класса D, хотя впервые они были представлены еще в 1958 г. Что представляют собой усилители класса D? Чем они отличаются от других типов усилителей? Почему этот класс особенно хорошо подходит для применения в аудиоустройствах? Ответы на все эти вопросы содержатся в предлагаемой статье.



Преимущества усилителей класса D

Задачей звуковых усилителей является передача входного звукового сигнала к системе воспроизведения звука с необходимыми громкостью и уровнем мощности — точно, эффективно и с малыми помехами. Звуковые частоты — это диапазон от 20 Гц до 20 кГц, соответственно усилитель должен обладать хорошей АЧХ во всем диапазоне (или же в более узкой области, если речь идет о динамике с ограниченной полосой воспроизведения, например о среднечастотном или высокочастотном динамике в многополосной системе). Мощности могут быть разными (в зависимости от конкретного устройства): милливатты в наушниках, ватты в звуковых телевизионных системах и аудио для ПК, десятки ватт в домашних и автомобильных звуковых системах, сотни и более ватт в мощных домашних и концертных звуковых системах.
В обычных аналоговых звуковых усилителях транзисторы в линейном режиме применяются для генерации выходного напряжения, которое точно масштабирует входное. Коэффициент передачи по напряжению обычно достаточно велик (около 40 дБ). Если усиление в прямом направлении входит в цепь с обратной связью, то и коэффициент усиления всей цепи с обратной связью будет велик. Обратная связь в усилителях применяется часто, так как большой коэффициент передачи в сочетании с обратной связью улучшает качество усилителя: подавляет искажения, вызванные нелинейностями в прямой цепи, и снижает шумы от источника питания за счет того, что снижается коэффициент влияния источника питания (PSRR).
В обычном транзисторном усилителе транзисторы выходного каскада обеспечивают непрерывный сигнал на выходе. Существует множество различных инженерных решений для аудиосистем: усилители классов A, AB и B. Во всех, даже в самых эффективных, линейных выходных каскадах рассеивание мощности больше, чем в усилителях класса D. Это свойство усилителей класса D обеспечивает им преимущество в различных системах, так как малое рассеивание мощности означает меньший нагрев схемы, позволяет экономить место на плате, снижает стоимость и продлевает срок автономной работы батарей в портативных устройствах.

 

Сравнение усилителей разных классов

Как правило, выходные каскады линейных усилителей напрямую подключаются к громкоговорителю (лишь иногда через конденсатор). Если в выходном каскаде применяются биполярные транзисторы (БТ), то они обычно работают в линейном режиме, с большим напряжением между коллектором и эмиттером. Кроме того, выходной каскад может быть реализован на МОП-транзисторах, как это показано на рисунке 1. В линейных выходных каскадах мощность рассеивается, так как генерация напряжения VOUT неизбежно ведет к ненулевым значениям IDS и VDS, как минимум, в одном из выходных транзисторов. Величина рассеиваемой мощности зависит от величины смещения выходных транзисторов.

 

Рис. 1. Линейный выходной каскад на МОП-транзисторах


В схемах усилителей класса А один из транзисторов используется в качестве источника постоянного тока, обеспечивающего максимальную величину тока, которая может быть необходима динамику. В результате, с помощью усилителей класса А можно добиться хорошего качества звука, но потеря энергии в таких схемах чрезвычайно велико по той причине, что через выходные транзисторы протекает большой постоянный ток (здесь он не приносит пользы), а через громкоговоритель, где он, собственно, и нужен, ток не проходит.
В схемах класса В ток смещения отсутствует, и благодаря этому рассеивается намного меньше энергии. В устройствах данного класса выходные транзисторы работают в двухтактном режиме, то есть транзистор MH «выдает» ток, а транзистор ML «отводит». Однако качество звука при использовании схем класса В оставляет желать лучшего из-за нелинейных искажений (типа «ступеньки»), которые возникают при переключении транзисторов.
Класс АВ представляет собой компромисс — сочетание класса А и класса В; здесь присутствует постоянный ток смещения, но намного меньший, чем в схемах класса А. Использование малого тока смещения позволяет избежать искажений типа «ступеньки», добиваясь высокого качества звука. Потеря мощности в данном классе схем находится в диапазоне между потерей в классах А и В, но обычно оно лишь чуть больше, чем в усилителях класса В. Схема усилителя класса AB подобна схеме усилителя класса B и способна выдавать или отводить большой выходной ток. К сожалению, даже в удачных конструкциях класса АВ потеря мощности остается значительным по причине того, что среднее значение выходного напряжения очень отличается от значений напряжения питания. Большой размах изменения напряжения «сток-исток» приводит к большим значениям произведения IDSVDS, а значит, и к большим потерям мощности.
Усилители класса D благодаря принципиально другой топологии отличаются уникально низкой потерей мощности по сравнению со всеми упоминавшимися выше типами устройств.

 

Рис. 2. Схема усилителя класса D без цепи ОС

 

В схеме усилителя класса D (см. рис. 2) напряжение на выходе усилителя переключается между положительным и отрицательным источниками питания, и, таким образом, на выходе наблюдается последовательность импульсов. Такая форма сигнала способствует малой потере мощности, так как через выходные транзисторы, когда они закрыты, ток не течет, а когда они проводят ток, значение напряжения VDS мало, поэтому мало и произведение IDSVDS. Поскольку большинство аудиосигналов не являются последовательностью импульсов, в состав схемы усилителя класса D непременно входит модулятор, который преобразует аудиосигнал в импульсный. Спектр импульса включает как, собственно, аудиосигнал, так и значительные высокочастотные составляющие, обусловленные процессом модуляции. Между выходным каскадом и динамиком обычно стоит фильтр нижних частот (ФНЧ), чтобы минимизировать электромагнитные помехи и предотвратить подачу на динамик высокочастотных сигналов.

 

Рис. 3. Дифференциальный переключающийся выходной каскад с индуктивно-емкостным фильт­ром нижних частот

 

На фильтре (см. рис. 3) также нельзя допускать потери мощности, чтобы сохранить тот выиг­рыш, который обеспечивает переключающаяся схема выходного каскада. Как правило, в фильтре используют конденсаторы и индуктивности, а единственным элементом, где происходит потеря мощности, остается динамик.
На рисунке 4 сравниваются теоретически рассчитанные величины рассеиваемой мощности в выходных каскадах (PDISS) усилителей классов А и В с измеренным значением рассеиваемой мощности для усилителя AD1994 класса D.

 

Рис. 4. Потеря мощности в выходных каскадах усилителей класса  A,  B, и D

 

Рассеиваемая мощность рассчитана в зависимости от выходной мощности (PLOAD), подаваемой на динамик, при синусоидальном сигнале звуковой частоты. Выходная мощность нормирована к уровню PLOAD max, при котором синусоидальный сигнал «срезается» сверху так, что суммарный коэффициент гармонических искажений составляет 10%. Вертикальная линия показывает мощность PLOAD, при которой начинается «срезание» синусоиды.
На рисунке видно, что значительные различия в величине рассеиваемой мощности наблюдаются в широком диапазоне мощности на нагрузке и особенно явны при больших и средних нагрузках. В начале «срезания» синуса потери в выходном каскаде усилителя класса D в 2,5 раза меньше, чем в каскаде класса В и в 27 раз меньше, чем в классе А. Стоит отметить, что в выходном каскаде усилителя класса А потеря энергии больше, чем в громкоговорителе — это результат использования большого постоянного тока смещения. Коэффициент полезного действия выходного каскада (Eff) определяется выражением:

 

Eff = PLOAD /(PLOAD+ PDISS).

 

В начале «срезания» синуса КПД составляет 25% для усилителей класса А, 78,5 — для усилителей класса В и 90 — для усилителей класса D (см. рис. 5). Наилучшие значения КПД для усилителей классов А и В часто приводятся в литературе.

 

Рис. 5. КПД выходных каскадов усилителей классов A, B и D


Преимущества усилителей класса D в том, что они позволяют расширить диапазон рабочих мощностей. Это важно для воспроизведения звука, так как длительные средние уровни мощности при высокой громкости не используют весь динамический диапазон, а короткие мощные пики достигают уровня
PLOAD max. Так, для звуковых усилителей PLOAD = 0,1. PLOAD max — это разумный рабочий уровень мощности, на котором следует определять PDISS. На этом уровне потеря мощности в усилителях класса D в девять раз ниже, чем в классе В и в 107 раз ниже, чем в классе А.
Для звукового усилителя со значением PLOAD max = 10 Вт рабочий уровень в 1 Вт представляется оптимальным для прослушивания. При таких условиях в выходном каскаде класса D рассеивается 282 мВт; в классе В — 2,53 Вт; а в классе А — 30,2 Вт. КПД усилителей класса D при данной мощности снижается до 78 с 90% при большей мощности. Но даже 78% несравненно лучше, чем КПД классов В и А — 28 и 3% соответственно.
Отличия в КПД и рассеиваемой мощности существенны с точки зрения применения перечисленных усилителей. При уровнях мощности более 1 Вт большие тепловые потери в линейных выходных каскадах приводят к необходимости дополнительных затрат на систему охлаж-
дения.
Для уровней мощности менее 1 Вт нагрев при диссипации энергии в выходном каскаде не так существенен, но здесь важным становится сам факт бесполезной потери энергии. Если система питается от батареи, то линейные выходные каскады будут разряжать батарею намного быстрее, чем системы с усилителями класса D. Из вышеприведенного примера видно, что система с усилителем класса D потребляет тока в 2,8 раза меньше, чем усилители класса В и в 23,6 раза меньше, чем усилители класса А — в результате получается существенная разница во времени автономной работы таких устройств, как сотовые телефоны, MP3-плееры и «наладонники».
До сих пор мы рассматривали только выходной каскад усилителя. Однако, если рассматривать все потребляющие элементы усилительной системы, то линейные усилители становятся более серьезными конкурентами классу D на малых рабочих мощностях. Дело в том, что мощность, которая затрачивается на генерацию и модуляцию импульсного сигнала, относительно велика при малой выходной мощности. Таким образом, суммарные потери хорошо сконструированного усилителя класса АВ при относительно небольшой мощности могут быть примерно такими же, как и потери в усилителе класса D. Но при больших мощностях усилитель класса D имеет неоспоримые преимущества по рассеиваемой мощ-
ности.

 

Сравнение дифференциальной и несимметричной версий

На рисунке 3 изображен дифференциальный вариант включения выходных транзисторов в усилителе класса D с емкостно-индуктивными фильтрами. Полный мост (H-bridge) состоит из двух полумостовых схем (half-bridge), работающих в ключевом режиме, которые подают импульсы противоположной полярности на фильтр, состоящий из двух индуктивностей, двух емкостей и динамика. Каждый из полумостов представляет собой два транзистора: «верхний» MH, подключенный к положительной шине питания, и «нижний» ML, подключенный к отрицательной шине питания. На схемах показано, что в качестве «верхних» применяются транзисторы pMOS. Транзисторы nMOS также часто применяются в качестве «верхних», они позволяют уменьшить размеры и емкость затвора, но для них требуется специальная схема управления [1].
Полные мостовые схемы обычно питают от однополярного источника (VDD), а отрицательный вывод питания (VSS) подключается к «земле». При одинаковых значениях VDD и VSS дифференциальная схема дает выигрыш в размахе сигнала в два раза и в мощности — в четыре раза по сравнению с несимметричной схемой.
На шинах питания полумостовой схемы могут возникнуть выбросы напряжения за счет энергии, накопленной в индуктивности LC-фильтра. Скорость нарастания напряжения dV/dt этих переходных процессов может быть ограничена при помощи конденсаторов большой емкости между шинами питания VDD и VSS. Полномостовая схема не имеет такой проблемы, так как ток протекает из одного полумоста в другой, создавая локальную петлю, и, таким образом, этот ток не влияет на напряжение питания.

 

Особенности усилителей класса D

Малая величина рассеиваемой мощности в усилителях класса D обеспечивает существенные преимущества при их применении в звуковых трактах, однако разработчики непременно столкнутся с необходимостью решения следующих проблем:
– выбор выходных транзисторов;
– защита выходного каскада;
– качество звука;
– метод модуляции;
– радиопомехи;
– разработка LC-фильтра;
– высокая стоимость системы.

 

Выбор выходного транзистора

Размер выходного транзистора выбирается так, чтобы минимизировать потери мощности в широком диапазоне различных значений сигнала. Требование малого значения VDS при пропускании большого тока IDS означает, что выходной транзистор должен иметь малое сопротивление открытого канала RON (около 0,1…0,2 Ом). Но для этого нужен большой транзистор со значительной емкостью затвора CG. Схема, управляющая затвором транзистора и работающая на емкостную нагрузку, потребляет мощность, равную CV2f, где C — емкость затвора, V — изменение напряжения затвора в процессе заряда, f — частота переключения. Эти «потери на переключение» становятся чрезмерными в случае, если емкость или частота переключения велики, поэтому существуют некоторые практические ограничения. Таким образом, выбор транзистора должен осуществляться путем подбора идеального соотношения для минимизации потерь при пропускании тока (минимум произведения IDS VDS) и минимизации потерь на переключение. Потери за счет сопротивления RON преобладают при высоких уровнях мощности, а при низких большее влияние оказывают потери на переключение. Производители транзисторов стремятся минимизировать произведение RON CG в своих приборах, чтобы максимально снизить возможные потери мощности и предоставить инженерам наибольшую свободу в выборе частоты переключения.

 

Защита выходного каскада

Должна быть предусмотрена защита выходного каскада от различных потенциальных опасностей.
Перегрев: тепловые потери в выходных каскадах усилителей класса D хоть и меньше, чем в линейных усилителях, но, тем не менее, могут привести к опасному перегреву выходных транзисторов в случаях, когда усилитель долгое время работает на большой мощности. Для защиты от перегрева применяется цепь контроля температуры. Простейшие из таких схем отключают выходной каскад в случае его нагрева выше пороговой температуры отключения. Температура каскада измеряется встроенным датчиком. Каскад остается отключенным до тех пор, пока он не остынет. С помощью датчика температуры можно не только отключать каскад, но и временно уменьшать уровень громкости при перегреве, снижая тем самым тепловую потерю мощности в каскаде и поддерживая температуру в рабочих пределах.
Токовая перегрузка выходных тран­зисторов: малое сопротивление выходных транзисторов в открытом режиме не создает никаких проблем, если выходной каскад и динамик правильно подключены. Но если выход замкнут накоротко или подключен к положительной или отрицательной шине питания, то в цепи могут протекать очень большие токи. Невнимательность в этом вопросе может привести к повреждению транзисторов или остальной части схемы, поэтому необходимы контроль тока и защита. Простые системы контроля токов отключают каскад при значениях токов выше установленного порога. В более сложных системах реализуется обратная связь, которая настраивает усилитель на работу в безопасном режиме без его отключения. В таких схемах отключение происходит только в крайнем случае, когда система не может настроить усилитель на работу в допустимых пределах. Системы контроля токов позволяют также предохранить от выбросов тока при резонансах в динамике.
Понижение напряжения питания: большинство переключающихся выходных каскадов работают хорошо только при достаточно высоком напряжении питания. Проблемы начинаются тогда, когда напряжение питания снижается. Этот момент контролируется системой блокировки, которая позволяет выходным каскадам работать только при напряжении питания выше порогового уровня.

 

Рис. 6. Схема контроля транзисторов с отключением до включения


Время включения выходного транзистора: верхний (MH) и нижний (ML) (см. рис. 6) выходные транзисторы имеют очень низкое сопротивление в открытом режиме. Поэтому очень важно не допустить ситуации, когда оба выходных транзистора открыты одновременно, так как в этом случае возникнет цепь с малым сопротивлением между VDD и VSS, по которой через оба транзистора потечет большой сквозной ток. В лучшем случае они перегреются и повысятся потери мощности, а в худшем транзисторы выйдут из строя. Система управления транзисторами с отключением и последующим включением предотвращает возможность возникновения сквозного тока, принудительно выключая оба транзистора, прежде чем включить какой-либо из них. Временной интервал, в течение которого оба транзистора отключены, часто называют «мертвым» временем.

 

Качество звука

Несколько слов стоит сказать о том, как можно добиться качественного звука с использованием усилителей класса D.
Щелчки, которые часто случаются при включении/выключении усилителей, отрицательно сказываются на качестве звучания. К сожалению, усилители класса D тоже страдают от этой проблемы, если недостаточно внимательно отнестись к работе модулятора, системы управления выходными транзисторами и индуктивно-емкостного фильтра в режимах включения и выключения усилителя.
Отношение сигнал/шум (ОСШ): чтобы не допустить ощутимого влияния собственных шумов усилителя на качество звука, ОСШ должен составлять 90 дБ в маломощных портативных устройствах, 100 дБ в устройствах средней мощности и 110 дБ в мощных системах. Эти показатели достижимы в большинстве схем усилителей, однако конкретные источники шума нужно отслеживать в каждом отдельном случае, чтобы добиться удовлетворительного общего
ОСШ.
Нелинейные искажения: под нелинейными искажениями имеются в виду не нелинейные эффекты в процессе модуляции, а искажения за счет «мертвого» времени в выходном каскаде, которое необходимо для предотвращения сквозного тока. Основную информацию о звуковом сигнале несет ширина импульсов на выходе модулятора. Необходимость внесения задержки на величину «мертвого» времени приводит к изменению длительности импульса, и это вызывает нелинейные искажения, пропорциональные величине относительной погрешности длительности импульса. Наименьшее «мертвое» время, достаточное для предотвращения пробоя выходного каскада, обеспечивает минимальный уровень нелинейных искажений. В работе [2] подробно описан метод минимизации искажений в переключающихся схемах. Другими источниками шума являются: разница во времени нарастания и спада импульсов, несовпадение временных характеристик выходных транзисторов и нелинейные эффекты в LC-фильтре.
Коэффициент ослабления влияния источника питания (PSR): в схеме на рисунке 2 показано, что шумы источника питания передаются напрямую в динамик. Это происходит по причине малого сопротивления транзисторов выходного каскада. ФНЧ эффективно убирает высокочастотную составляющую, но пропускает все звуковые частоты, включая шумы. Подробное описание влияния шумов источника питания в дифференциальных и несимметричных импульсных выходных каскадах содержится в работе [3].
Если целенаправленно не решать проблемы нелинейных искажений или влияния источника питания, то редко удается достичь значения PSR лучшего, чем 10 дБ, или коэффициента гармонических искажений (THD) ниже 0,1%. THD часто является причиной возникновения неприятно звучащих искажений высокого порядка.
К счастью, существуют эффективные пути решения этих проблем. Часто помогает применение глубокой обратной связи (как это делается во многих линейных усилителях). Обратная связь со входа LC-фильтра значительно улучшает PSR и ослабляет все искажения и шумы, возникающие до LC-фильтра. Искажения в самом LC-фильтре могут быть ослаблены за счет включения динамика в цепь обратной связи. Качество звука со значениями PSR более 60 дБ и THD менее 0,01% вполне достижимо в тщательно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС.
Однако обратная связь усложняет конструкцию усилителя, так как возникает необходимость обеспечения устойчивости усилителя (нетривиальная задача для цепей высокого порядка). Кроме того, необходима аналоговая обратная связь для отслеживания искажений ширины импульсов, поэтому схема управления должна содержать аналоговую часть для работы с сигналом обратной связи.
Для уменьшения стоимости интег­ральной микросхемы некоторые производители предпочитают урезать аналоговую часть схемы или даже полностью отказываются от нее. В некоторых устройствах используются цифровые модуляторы без обратной связи совместно с АЦП для контроля изменений напряжения питания, и работа модулятора корректируется так, чтобы компенсировать эти изменения [3]. Такой метод позволяет улучшить PSR, но не решает проблемы искажений. В других цифровых модуляторах пытаются заранее компенсировать искажения длительности импульсов или учесть заведомо неидеальные характеристики самого модулятора. Это может частично устранить некоторые причины искажений, но далеко не все. С помощью таких технических приемов добиваются сравнительно неплохого качества звучания на основе усилителей класса D без обратной связи, но для получения лучшего качества звука все-таки необходима обратная
связь.

 

Литература

1. International Rectifier, Application Note AN-978, HV Floating MOS-gate driver ICs.
2. Nyboe F., et al «Time domain analysis of open-loop distortion in class D amplifier output stages», presented at the AES 27-th International Conference, Copenhagen, Denmark, September 2005.
3. Zhang L., et al «Real-time power supply compensation for noise-shaped class D amplifier», presented at the 117-th AES Convention, San-Francisco, CA, October 2004.


Окончание статьи будет опубликовано в «ЭК2», 2008.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Эрик Гаалаас (Erik Gaalaas), инженер компании Analog Devices



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты