Аудиоусилители класса D: особенности и преимущества. Часть 2*

Существуют разные методы реализации модуляторов класса D, этой теме посвящено немало исследований, получено множество патентов. Мы рассмотрим только основополагающие принципы. Все методы модуляции класса D преобразуют звуковой сигнал в последовательность импульсов. Ширина импульсов связана с амплитудой звукового сигнала, а спектр импульсов содержит необходимый звуковой сигнал и нежелательные, но неизбежные, высокочастотные составляющие. Суммарная мощность высокочастотных составляющих во всех схемах примерно равна, так как одинакова мощность сигнала во временной области, и, по теореме Парсеваля, мощность во временной области должна быть равна мощности в частотной. Однако распределение энергии по спектру заметно отличается: в одних схемах наблюдаются резкие пики в спектре на фоне низкого уровня шума, а в других происходит распределение энергии с высоким уровнем шума и плохо выраженными максимумами.
Наиболее распространенным методом модуляции является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Модуляция ШИМ позволяет добиться отношения сигнал/шум (ОСШ) в 100 дБ в диапазоне звуковых частот при несущей частоте порядка нескольких сотен килогерц — это невысокая частота, позволяющая минимизировать потери на переключение в выходном каскаде. Большинство ШИМ-модуляторов стабильно работают при модуляции, близкой к 100%, что позволяет работать с высокой мощностью вплоть до значений, близких к перегрузке. Но и у ШИМ есть свои недостатки: во-первых, данный метод модуляции часто вызывает искажения [4]; во-вторых, гармоники, генерируемые несущей частотой ШИМ, вызывают электромагнитные помехи в радиочастотном диапазоне, и, наконец, импульсы ШИМ становятся очень узкими, когда модуляция близка к 100%. Это приводит к возникновению проблем в большинстве схем управления транзисторами в импульсных выходных каскадах — их малая нагрузочная способность не позволяет достаточно быстро переключать транзисторы, чтобы воспроизводить короткие импульсы шириной в несколько наносекунд. Следовательно, в усилителях с ШИМ глубокая модуляция зачастую невозможна, что создает дополнительные ограничения для теоретически возможного максимума выходной мощности, который зависит только от напряжения питания, сопротивления открытого транзистора и импеданса динамика.
Альтернативой ШИМ является импульсно-плотностная модуляция (ИПМ), в которой количество импульсов за фиксированный промежуток времени пропорционально уровню входного звукового сигнала. Ширина отдельных импульсов, в отличие от ШИМ, фиксирована. Но число импульсов «квантовано» в соответствии с частотой модуляции. Од­норазрядная сигма-дельта-модуляция является частным случаем ИПМ.
Большая часть высокочастотной энергии при сигма-дельта-модуляции распределяется в широком диапазоне частот, а не концентрируется в выбросах на несущей частоте, как это происходит при ШИМ, и это обеспечивает преимущество ИПМ с точки зрения электромагнитных излучений. В спектре ИПМ присутствуют высокочастотные «образы» сигнала на частотах, кратных тактовой частоте, но при обычных тактовых частотах от 3 до 6 МГц эти образы лежат далеко за пределами звуковых частот и полностью отрезаются LC-фильтром.
Другим преимуществом сигма-дельта-модуляции является то, что минимальная ширина импульса равна одному периоду тактового сигнала даже для случаев с полной модуляцией. Это упрощает разработку схемы управления и позволяет безопасно работать на всех мощностях до теоретического максимума. Несмотря на это, одноразрядные сигма-дельта-модуляторы нечасто используют в усилителях класса D [4], так как они стабильны только при модуляции до 50%. Кроме того, необходим как минимум 64-кратный оверсэмплинг (дискретизация с запасом по частоте) для обеспечения хорошего ОСШ, поэтому скорость передачи данных на выходе обычно составляет не менее 1 МГц, и КПД не слишком велик.
В последнее время получили развитие автоколебательные усилители, подобные тому, что описан в работе [5]. В этом типе усилителей также имеется цепь обратной связи, которая определяет частоту переключения модулятора вместо внешнего тактового генератора. Высокочастотная энергия в этом случае распределяется намного равномернее, нежели в случае ШИМ. Цепь обратной связи позволяет добиться высокого качества звука, но поскольку система автоколебательная, возникают проблемы синхронизации со всеми другими переключающимися схемами, а также становится невозможным подключение цифрового источника звука без преобразования цифрового сигнала в аналоговый.
Полномостовая схема (см. рис. 1) может работать в режиме трёхуровневой модуляции, чтобы уменьшить электромагнитные помехи.

При обычной дифференциальной работе выходной сигнал полумоста A должен быть противоположен по величине сигналу полумоста В. Таким образом, существуют только два дифференциальных состояния: выходной сигнал полумоста A имеет высокий уровень, а выходной сигнал полумоста В — низкий, или наоборот, у В — высокий, у А — низкий уровень. Но возможны еще две ситуации, когда сигналы на выходах полумостов синфазны: они оба либо высокого, либо низкого уровня. Одно из таких синфазных состояний может быть использовано как переходное между дифференциальными состояниями, и таким образом реализуется трёхуровневая модуляция, где на дифференциальный вход LC-фильтра подается либо отрицательный сигнал, либо «0», либо положительный сигнал. Состояние «0» используется для малого уровня мощности, вместо частого переключения между положительным и отрицательным состояниями, как это делается в двухуровневой схеме. В результате, в состоянии «0» в LC-фильтре снижаются дифференциальные электромагнитные помехи, хотя, конечно, усиливаются синфазные. Выигрыш в качестве получается только на малых уровнях мощности, так как для подачи больших сигналов необходимы «положительные» и «отрицательные» состояния. Трёхуровневые схемы модуляции с изменяющимся синфазным напряжением вполне могут составить конкуренцию усилителям с обратной связью.

Высокочастотные составляющие выходного сигнала усилителей класса D требуют отдельного внимания. При невнимательном подходе к этой проблеме могут возникнуть серьезные электромагнитные помехи. Необходимо рассматривать две разновидности ЭМП: сигналы, излучаемые в пространство, и сигналы, которые передаются по проводам динамика и блока питания. Вид модуляции определяет форму спектра излучаемых и передающихся по проводам ЭМП. Однако существуют способы конструирования печатных плат, позволяющие уменьшить ЭМП усилителей класса D вне зависимости от вида спектра.
Следует уменьшать площадь петель, по которым протекают высокочастотные токи, так как от площади петель и их близости к другим цепям зависит величина вызываемых ЭМП. Например, LC-фильтр (в том числе провода динамика) должен быть собран максимально компактно и расположен как можно ближе к усилителю. Следует также иметь в виду вероятность больших выбросов тока при переключении затворов выходных транзисторов. Импульсов ЭМП можно избежать за счет уменьшения площади цепи, а значит, накопительная емкость должна как можно ближе размещаться к соответствующему транзистору.
Если «мертвое» время переключающей схемы слишком велико, то индуктивные токи из динамика или фильтра могут привести к открытию паразитных диодов в транзисторах выходного каскада. Когда «мертвое» время заканчивается, смещение на диодах меняет свое направление. Прежде чем диод полностью закроется, может возникнуть большой импульсный обратный ток, который становится источником ЭМП. Чтобы избежать этого, «мертвое» время делают очень коротким (это также способствует минимизации потерь качества звука). Если же эффект обратных токов категорически недопустим, то к параллельно паразитным диодам можно подключить диоды Шоттки, чтобы направить через них ток и тем самым избежать открытия паразитных диодов. Это поможет, так как для перехода «металл-полупроводник» в диоде Шоттки не характерен эффект обратного восстановления.
Если в LC-фильтре применены катушки с тороидальными сердечниками, это способствует уменьшению величины излучаемого магнитного поля. В более дешевых обычных катушках излучение ЭМП можно снизить за счет экранирования, особенно если убедиться, что экранирование не слишком сильно нарушает линейность катушки и не снижает качество звучания динамика.

В целях снижения стоимости и экономии места на плате большинство LC-фильтров для усилителей представляют собой фильтры низких частот (ФНЧ) второго порядка. На рисунке 1 изображен дифференциальный LC-фильтр второго порядка. Динамик глушит неизбежные внутренние резонансы схемы. Обычно считается, что импеданс динамика является активным сопротивлением, но на самом деле он имеет весьма сложную характеристику со значительными реактивными компонентами. Если необходимо спроектировать высококачественный фильтр, очень важно использовать при этом точную модель импеданса динамика.
При подборе фильтра первостепенное значение имеет наименьшая ширина полосы пропускания, при которой на верхней границе звуковых частот спад незначителен. Обычно применяются фильтры Баттерворта с частотой среза 40 кГц (чтобы сохранить максимальную гладкость характеристики в звуковом диапазоне), имеющие спад в 1 дБ на частотах до 20 кГц. Ниже приведена таблица 1, в которой представлены характеристики фильтра в зависимости от компонентов схемы.

Таблица 1. Характеристики фильтра

Какие факторы определяют стоимость аудиосистемы на основе усилителей класса D и как сделать систему дешевле?
Активными компонентами усилителя класса D являются выходной каскад и модулятор. Эти компоненты могут быть собраны примерно за ту же стоимость, что и их аналоги в линейных усилителях. Поскольку в усилителях класса D меньше потери мощности, то появляется возможность сэкономить (как деньги, так и место на плате) на устройствах охлаждения. Для интегрального усилителя класса D может быть использован более компактный, чем для линейных усилителей, корпус. В случаях, когда используется цифровой источник звука, линейным усилителям необходим ЦАП для конвертации звука в аналоговый формат. Аналогичная ситуация возникает, когда применяются усилители класса D с аналоговым входом, но усилители класса D с цифровыми входами выполняют функции ЦАП.
С другой стороны, усилители класса D имеют LС-фильтр, компоненты которого (особенно катушки индуктивности) занимают много места и повышают себестоимость. В усилителях высокой мощности стоимость системы остается сравнительно низкой благодаря большой экономии на устройствах системы охлаждения. Но маломощные устройства очень чувствительны к стоимости компонентов, особенно к индуктивности. В некоторых случаях, например в дешевых усилителях для сотовых телефонов, усилитель может стоить меньше LC-фильтра. Кроме того, если отвлечься от вопроса цены, то размер LC-фильтра весьма ограничивает его применение в миниатюрных устройствах.
Ввиду этих обстоятельств LC-фильтры часто полностью убирают и получается усилитель без фильтра. Это позволяет снизить стоимость изделия и сэкономить место на плате, но лишает схему преимуществ, связанных с низкочастотной фильтрацией. В отсутствии фильтра могут резко повыситься ЭМП и потери мощности, если только динамик не является индуктивным и не расположен близко к усилителю (малые контуры токов), а мощности не являются малыми. Эти условия часто выполняются в портативных устройствах, таких, как сотовые телефоны, но практически неосуществимы в мощных системах воспроизведения звука.
Другой путь решения проблемы — минимизация числа компонентов LC-фильтра в каждом из аудиоканалов. Этого можно добиться путем использования несимметричной полумостовой схемы выходного каскада, которая требует вдвое меньшего числа L- и C-компонентов, чем дифференциальная полномостовая схема. Но полумостовая схема требует биполярного питания, так что в некоторых случаях затраты на дополнительное отрицательное питание могут быть неоправданными, если только число аудиоканалов не достаточно велико для того, чтобы покрыть расходы. В принципе, полумостовую схему можно питать и от одного источника, но это сокращает максимальную выходную мощность и требует конденсатора большой емкости.
Усилители класса D от компании Analog Devices
Чтобы сэкономить время разработчиков, компания Analog Devices предлагает широкий набор интегральных усилителей класса D, в которых интегрированы усилители с программируемым коэффициентом усиления, модуляторы и выходные каскады. Чертеж печатной платы и перечень компонентов можно использовать в качестве образца, который поможет легко разработать экономичную аудиосистему с усилителем класса D без необходимости «изобретать велосипед».
Существуют семейства сдвоенных интегральных усилителей AD1990, AD1992 и AD1994. Это усилители для двухканальных стерео- или моносистем средней мощности (выходная мощность может составлять 5, 10 и 25 Вт).
AD1994 — устройство класса D, состоящее из двух программируемых усилителей мощности, двух сигма-дельта-модуляторов, двух выходных каскадов, образующих полномостовую схему. AD1994 используется в домашних кинотеатрах, в автомобильных и компьютерных аудиосистемах.
В усилителе имеется внутренняя защита от перегрева выходного каскада, перегрузки по току и токов пробоя. Благодаря специальной схеме синхронизации, схеме плавного пуска и калибровке смещения по постоянному току, минимизированы шумы, связанные с переходными процессами включения/выключения. В AD1994 реализованы непрерывная обратная связь от выходного каскада и улучшенная система управления запиранием транзисторов. Режим автономной работы модулятора позволяет подключать внешние полевые транзисторы для увеличения выходной мощности.
При напряжении питания 5 В работают усилитель с программируемым коэффициентом усиления, модулятор, цифровая логика, тогда как выходной каскад работает при напряжении питания 8…20 В. Референсный проект соответствует стандартам FCC для класса B по требованиям к ЭМП. Подробнее об усилителях класса D, в том числе об их применении с процессорами Blackfin, можно прочесть в материалах из приведенного ниже списка литературы.

Автор выражает благодарность инженерам Analog Devices Арту Кальбу и Раживу Морайкару за помощь в подготовке статьи.

————————————

* Первая часть статьи была опубликована в «ЭК» 1, 2008.