Работа и применение усилителей класса D

В современном мире основной целью усиления звука в аудиосистеме является точное воспроизведение и усиление заданных входных сигналов. И одна из самых больших проблем - получить высокую выходную мощность с минимальными потерями мощности. Технология усилителей класса D оказывает все большее влияние на мир живого звука, предлагая высокую мощность с нулевым рассеиванием мощности и меньший вес, чем когда-либо прежде. В настоящее время портативные музыкальные устройства становятся все более популярными в связи с растущим спросом на внешние звуки в портативных музыкальных устройствах.

Иногда для усиления звука используются ламповые усилители, но они громоздкие по размеру и не подходят для портативных электронных звуковых систем. Для большинства потребностей в усилении звука инженеры предпочитают использовать транзисторы в линейном режиме для создания масштабированного выхода на основе небольшого входа. Это не лучшая конструкция для усилителей звука, потому что линейные транзисторы будут постоянно проводить, выделять тепло и потреблять энергию. Эта потеря тепла является основной причиной, по которой линейный режим не является оптимальным для портативных аудиоприложений с батарейным питанием. Есть много классов звуковых усилителей A, B, AB, C, D, E и F. Они подразделяются на два различных режима работы: линейный и коммутационный.

Усилитель класса D

Усилители мощности с линейным режимом - Класс A, B, AB и класс C - все усилители линейного режима которые имеют выход, пропорциональный их входу. Усилители линейного режима не насыщаются, не включаются и не выключаются полностью. Поскольку транзисторы всегда являются проводящими, выделяется тепло и постоянно потребляется энергия. Это причина того, что линейные усилители имеют меньшую эффективность по сравнению с переключаемыми усилителями. Коммутационные усилители классов D, E и F являются коммутирующими усилителями. У них более высокий КПД, который теоретически должен составлять 100%. Это потому, что нет потерь энергии на рассеивание тепла.

Что такое усилитель класса D?

Усилитель класса D представляет собой переключающий усилитель, и когда он находится в состоянии «ВКЛ», он будет проводить ток, но иметь почти нулевое напряжение на переключателях, поэтому тепло не рассеивается из-за потребляемой мощности. Когда он находится в режиме «ВЫКЛ», напряжение питания будет проходить через МОП-транзисторы , но из-за отсутствия тока коммутатор не потребляет энергию. Усилитель будет потреблять мощность только во время переходов включения / выключения, если не учтены токи утечки. Усилитель класса D, состоящий из следующих каскадов:

• Модулятор PMW
• Схема переключения
• Выходной фильтр нижних частот

Блок-схема усилителя класса D

Модулятор PMW

Нам нужен строительный блок схемы, известный как компаратор. Компаратор имеет два входа, а именно вход A и вход B. Когда на входе A напряжение выше, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное положительное напряжение (+ Vcc). Когда на входе A ниже напряжение, чем на входе B, на выходе компаратора будет максимальное отрицательное напряжение (-Vcc). На рисунке ниже показано как работает компаратор в усилителе класса D. На один вход (пусть это будет вход A) подается сигнал, который нужно усилить. Другой вход (Вход B) снабжен точно сгенерированной треугольной волной. Когда уровень сигнала мгновенно превышает уровень треугольной волны, выходной сигнал становится положительным. Когда сигнал мгновенно становится ниже уровня треугольной волны, выходной сигнал становится отрицательным. В результате получается цепочка импульсов, ширина которой пропорциональна мгновенному уровню сигнала. Это известно как «Широтно-импульсная модуляция» или ШИМ .

Модулятор PMW

Цепь переключения

Несмотря на то, что выход компаратора представляет собой цифровое представление входного аудиосигнала, он не может управлять нагрузкой (динамиком). Задача этой схемы переключения - обеспечить достаточный коэффициент усиления мощности, который необходим для усилителя. В схеме переключения обычно используются полевые МОП-транзисторы. Очень важно спроектировать так, чтобы переключающие цепи генерировали сигналы, которые не перекрывались, иначе вы столкнетесь с проблемой короткого замыкания источника питания прямо на землю или при использовании разделенного источника питания, замыкающего источники питания. Это известно как сквозной проход, но его можно предотвратить, подав на полевые МОП-транзисторы неперекрывающиеся сигналы затвора. Время без перекрытия известно как мертвое время. При разработке этих сигналов мы должны сохранять мертвое время как можно более коротким, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низким уровнем искажений, но должно быть достаточно длинным, чтобы оба полевых МОП-транзистора не проводили одновременно. Время, в течение которого полевые МОП-транзисторы находятся в линейном режиме, также должно быть сокращено, что поможет гарантировать, что полевые МОП-транзисторы работают синхронно, а не оба проводят одновременно.

Для этого приложения должны использоваться силовые полевые МОП-транзисторы из-за увеличения мощности в конструкции. Усилители класса D используются из-за их высокой эффективности, но полевые МОП-транзисторы имеют встроенный диод, который паразитирует и позволяет току продолжать свое движение в течение мертвого времени. Диод Шоттки можно добавить параллельно со стоком и истоком полевого МОП-транзистора, чтобы уменьшить потери через полевой МОП-транзистор. Это снижает его потери, потому что диод Шоттки работает быстрее, чем основной диод полевого МОП-транзистора, что гарантирует отсутствие проводимости основного диода в мертвое время. Чтобы уменьшить потери из-за высокой частоты, практично и необходимо установить диод Шоттки, подключенный параллельно полевому МОП-транзистору. Этот Шоттки обеспечивает подачу напряжения на полевые МОП-транзисторы перед выключением. Общая работа полевых МОП-транзисторов и выходного каскада аналогична работе синхронного Бак-конвертер . Формы входных и выходных сигналов схемы переключения показаны на рисунке ниже.

Цепь переключения

Выходной фильтр нижних частот

Последним каскадом усилителя класса D является выходной фильтр, который ослабляет и удаляет гармоники частоты сигнала переключения. Это можно сделать с помощью обычного фильтра нижних частот, но наиболее распространенным является комбинация катушки индуктивности и конденсатора. Желателен фильтр 2-го порядка, чтобы у нас был спад -40 дБ / декада. Диапазон частот среза составляет от 20 кГц до примерно 50 кГц из-за того, что люди не слышат ничего выше 20 кГц. На рисунке ниже показан фильтр Баттерворта второго порядка. Основная причина, по которой мы выбираем фильтр Баттерворта, заключается в том, что он требует наименьшего количества компонентов и имеет ровный отклик с резкой частотой среза.

Выходной фильтр нижних частот

Применение усилителя класса D

Он больше подходит для портативных устройств, поскольку не содержит дополнительных радиаторов. Так легко носить с собой. Усилитель высокой мощности класса D стал стандартом во многих приложениях бытовой электроники, таких как

• Телевизоры и домашние кинотеатры.
• Бытовая электроника в больших объемах
• Усилители для наушников
• Мобильные технологии
• Автомобильная промышленность

Таким образом, речь идет о работе и применении усилителей класса D. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или реализации каких-либо электротехнические и электронные проекты , пожалуйста, оставьте свой отзыв, оставив комментарий в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, Каковы применения усилителя класса D?