Zesilovač třídy D - Class-D amplifier

Blokové schéma základního spínacího nebo PWM (třídy D) zesilovače.
Poznámka: Kvůli jasnosti se periody signálu nezobrazují v měřítku.

Třídy D zesilovač nebo spínací zesilovač je elektronický zesilovač , v nichž zařízení zesilovací (tranzistory, obvykle MOSFETs ) fungují jako elektronické spínače, a ne jako lineární zesílení zařízení, jako v jiných zesilovačů. Pracují rychlým přepínáním tam a zpět mezi napájecími kolejnicemi a jsou napájeny modulátorem pomocí šířky pulzu, hustoty pulzu nebo podobných technik ke kódování zvukového vstupu do sledu pulzů. Zvuk uniká přes jednoduchý dolní propust do reproduktoru. Vysokofrekvenční impulsy jsou blokovány. Vzhledem k tomu, že dvojice výstupních tranzistorů nikdy nevodí současně, neexistuje žádná jiná cesta pro tok proudu kromě dolnoprůchodového filtru / reproduktoru. Z tohoto důvodu může účinnost přesáhnout 90%.

Dějiny

První zesilovač třídy D vynalezl britský vědec Alec Reeves v padesátých letech minulého století a pod tímto názvem byl poprvé nazván v roce 1955. Prvním komerčním produktem byl modul soupravy s názvem X-10, který vydal Sinclair Radionics v roce 1964. Měl však výstupní výkon pouze 2,5 wattů . Sinclair X-20 v roce 1966 vyrobeno 20 W, ale trpěl nejednotnost a omezení germania bázi BJT (bipolární tranzistor) tranzistorů jsou k dispozici v té době. Výsledkem bylo, že tyto časné zesilovače třídy D byly nepraktické a neúspěšné. Praktické zesilovače třídy D byly později umožněny vývojem technologie MOSFET na bázi křemíku (tranzistor s efektem kovu-oxid-polovodičový polní efekt). V roce 1978 společnost Sony představila TA-N88, první jednotku třídy D, která využívá výkonové MOSFETy a spínaný napájecí zdroj . Následně došlo v letech 1979 až 1985 k rychlému vývoji technologie VDMOS ( vertikální DMOS ). Dostupnost levných a rychle přepínatelných MOSFET vedla k úspěchu zesilovačů třídy D v polovině 80. let. První integrovaný obvod založený na zesilovačích třídy D byl vydán Tripathem v roce 1996 a viděl široké použití.

Základní operace

Zesilovače třídy D fungují tak, že generují sled obdélníkových pulsů s pevnou amplitudou, ale s měnící se šířkou a oddělením nebo s různým počtem za jednotku času, což představuje změny amplitudy analogového zvukového vstupního signálu. Hodiny modulátoru se mohou synchronizovat s příchozím digitálním zvukovým signálem, čímž odpadá nutnost převodu signálu na analogový. Výstup modulátoru se poté použije ke střídavému zapínání a vypínání výstupních tranzistorů. Velká pozornost je věnována tomu, aby dvojici tranzistorů nikdy nebylo dovoleno vést společně, protože by to způsobilo zkrat mezi napájecími kolejnicemi přes tranzistory. Vzhledem k tomu, že tranzistory jsou buď zcela „zapnuty“, nebo zcela „vypnuty“, tráví v lineární oblasti velmi málo času a rozptýlí jen velmi málo energie. To je hlavní důvod jejich vysoké účinnosti. Jednoduchý nízkoprůchodový filtr skládající se z induktoru a kondenzátoru poskytuje cestu pro nízké frekvence zvukového signálu a zanechává vysokofrekvenční impulsy za sebou. V nákladově citlivých aplikacích je výstupní filtr někdy vynechán. Obvod se poté spoléhá na indukčnost reproduktoru, aby se zabránilo vysokofrekvenční složce zahřátí kmitací cívky.

Struktura výkonového stupně třídy D je poněkud srovnatelná se strukturou synchronně usměrněného měniče bucků (typ neizolovaného spínaného napájecího zdroje (SMPS) ), funguje však obráceně. Zatímco převaděče bucků obvykle fungují jako regulátory napětí , které dodávají konstantní stejnosměrné napětí do proměnné zátěže a mohou napájet pouze proud (provoz v jednom kvadrantu), zesilovač třídy D dodává neustále se měnící napětí do pevné zátěže, kde proud a napětí může nezávisle měnit znaménko (čtyřkvadrantový provoz). Spínací zesilovač nesmí být zaměňován s lineárními zesilovači, které jako zdroj stejnosměrného proudu používají SMPS . Spínací zesilovač může používat jakýkoli typ napájecího zdroje (např. Autobaterii nebo interní SMPS), ale charakteristickou vlastností je, že samotný proces zesílení pracuje přepínáním. Na rozdíl od SMPS má zesilovač mnohem důležitější práci, aby udržel nežádoucí artefakty mimo výstup. Zpětná vazba se téměř vždy používá, ze stejných důvodů jako u tradičních analogových zesilovačů, ke snížení šumu a zkreslení.

Teoretická energetická účinnost zesilovačů třídy D je 100%. To znamená, že veškerá dodávaná energie je dodávána do zátěže, žádná se nepřeměňuje na teplo. Je to proto, že ideální spínač v jeho „zapnutém“ stavu by vedl veškerý proud, ale neměl by na něm žádnou ztrátu napětí, a proto by se nerozptylovalo žádné teplo. A když je vypnutý, měl by na něm celé napájecí napětí, ale neprotékal by ním žádný svodový proud a opět by se nerozptylovalo teplo. Výkonové MOSFETy v reálném světě nejsou ideální přepínače, ale praktická účinnost přes 90% je běžná. Naproti tomu lineární zesilovače třídy AB jsou vždy provozovány jak s proudem protékajícím, tak s napětím stojícím přes výkonová zařízení. Ideální zesilovač třídy B má teoretickou maximální účinnost 78%. Zesilovače třídy A (čistě lineární, se zařízeními vždy zapnutými) mají teoretickou maximální účinnost 50% a některé verze mají účinnost nižší než 20%.

Terminologie

Pojem „třída D“ je někdy nepochopen ve smyslu „ digitálního “ zesilovače. Zatímco některé zesilovače třídy D mohou být skutečně řízeny digitálními obvody nebo mohou obsahovat zařízení pro zpracování digitálního signálu, výkonový stupeň pracuje s napětím a proudem jako funkce nekvantizovaného času. Nejmenší množství šumu, nejistota časování, zvlnění napětí nebo jakákoli jiná neideálnost má okamžitě za následek nevratnou změnu výstupního signálu. Stejné chyby v digitálním systému povedou k nesprávným výsledkům pouze tehdy, pokud se stanou tak velkými, že signál představující číslici je zkreslený k nepoznání. Až do tohoto bodu nemají neideálie žádný dopad na přenášený signál. Obecně platí, že digitální signály jsou kvantovány jak v amplitudě, tak na vlnové délce, zatímco analogové signály jsou kvantovány v jedné (např. PWM) nebo (obvykle) ani v jedné veličině.

Modulace signálu

Dvouúrovňový tvar vlny je odvozen pomocí pulzní šířkové modulace (PWM), pulzní hustotové modulace (někdy označované jako pulzní frekvenční modulace), řízení posuvného režimu (v obchodě běžněji nazývaného „samo-oscilační modulace“) nebo diskrétní- časové formy modulace, jako je modulace delta-sigma .

Nejzákladnějším způsobem vytváření signálu PWM je použití vysokorychlostního komparátoru („ C “ v blokovém diagramu výše), který porovnává vysokofrekvenční trojúhelníkovou vlnu se zvukovým vstupem. Tím se generuje řada pulzů, jejichž pracovní cyklus je přímo úměrný okamžité hodnotě zvukového signálu. Komparátor poté řídí ovladač brány MOS, který zase pohání dvojici vysoce výkonných přepínačů (obvykle MOSFET ). Tím se vytvoří zesílená replika signálu PWM komparátoru. Výstupní filtr odstraňuje vysokofrekvenční spínací komponenty signálu PWM a obnovuje zvukové informace, které reproduktor může použít.

Zesilovače založené na DSP, které generují signál PWM přímo z digitálního zvukového signálu (např. SPDIF ), používají buď čítač k měření délky pulzu, nebo implementují digitální ekvivalent modulátoru založeného na trojúhelníku. V obou případech je časové rozlišení poskytované praktickými hodinovými frekvencemi pouze několik setin spínací periody, což nestačí k zajištění nízkého šumu. Ve skutečnosti je délka impulsu kvantována , což má za následek zkreslení kvantování . V obou případech se uvnitř digitální domény aplikuje negativní zpětná vazba, která vytváří tvarovač šumu, který má nižší šum ve slyšitelném frekvenčním rozsahu.

Designové výzvy

Rychlost spínání

Dvě významné konstrukční výzvy pro budicí obvody MOSFET v zesilovačích třídy D jsou udržení mrtvých časů a provozu v lineárním režimu co nejkratší. „Mrtvý čas“ je období během přechodového přechodu, kdy jsou oba výstupní MOSFETy přepnuty do cut-off režimu a oba jsou „vypnuty“. Mrtvé časy musí být co nejkratší, aby byl zachován přesný výstupní signál s nízkým zkreslením, ale příliš krátké mrtvé doby způsobí, že zapnutý MOSFET začne dirigovat dříve, než přestane MOSFET, který se vypíná, dirigovat. MOSFETy efektivně zkratují zdroj výstupního napájení přes sebe ve stavu známém jako „shoot-through“. Mezitím ovladače MOSFET také potřebují řídit MOSFETy mezi přepínacími stavy co nejrychleji, aby se minimalizovala doba, po kterou je MOSFET v lineárním režimu - stav mezi vypínacím režimem a režimem nasycení, kdy MOSFET není plně zapnutý ani plně vypnuto a vede proud se značným odporem a vytváří značné teplo. Selhání ovladače, které umožňují průnik a / nebo příliš mnoho lineárního provozu, má za následek nadměrné ztráty a někdy i katastrofické selhání MOSFET. Problémy jsou také s používáním PWM pro modulátor; jak se úroveň zvuku blíží 100%, šířka impulzu se může tak zúžit, že zpochybní schopnost obvodu ovladače a MOSFET reagovat. Tyto impulsy mohou klesnout na pouhých několik nanosekund a mohou mít za následek výše uvedené nežádoucí podmínky průletu a / nebo lineárního režimu. To je důvod, proč se jiné modulační techniky, jako je modulace hustoty impulzů, mohou přiblížit teoretické 100% účinnosti než PWM.

Elektromagnetické rušení

Spínací výkonový stupeň generuje vysoké dV / dt i dI / dt, které způsobují vyzařované vyzařování, kdykoli je kterákoli část obvodu dostatečně velká, aby fungovala jako anténa . V praxi to znamená, že spojovací vodiče a kabely budou nejúčinnějšími radiátory, takže je třeba vynaložit maximální úsilí na to, aby se zabránilo vysokofrekvenčním signálům dosáhnout těchto:

  • Vyvarujte se kapacitního propojení při přepínání signálů do kabeláže.
  • Vyvarujte se indukčního propojení z různých proudových smyček v výkonovém stupni do kabeláže.
  • Použijte jednu neporušenou zemní rovinu a seskupte všechny konektory dohromady, abyste měli společnou RF referenci pro oddělení kondenzátorů
  • Před výběrem součástí zahrňte ekvivalentní sériovou indukčnost filtračních kondenzátorů a parazitní kapacitu filtračních induktorů do modelu obvodu.
  • Kdekoli se vyskytne zvonění , vyhledejte indukční a kapacitní části rezonančního obvodu, který jej způsobuje, a pomocí paralelních RC nebo sériových RL tlumičů snižte Q rezonance.
  • Nenechávejte MOSFETy přepínat rychleji, než je nutné pro splnění požadavků na účinnost nebo zkreslení. Zkreslení lze snáze potlačit pomocí negativní zpětné vazby než zrychlením přepínání.

Návrh napájecího zdroje

Zesilovače třídy D kladou na jejich napájení další požadavek, konkrétně na schopnost potopit energii vracející se ze zátěže. Reaktivní (kapacitní nebo indukční) zátěže akumulují energii během části cyklu a uvolňují část této energie zpět později. Lineární zesilovače tuto energii rozptýlí, zesilovače třídy D ji vrátí do napájecího zdroje, který by ji měl být schopen uchovat. Kromě toho zesilovače třídy D s polovičním můstkem přenášejí energii z jedné napájecí lišty (např. Kladné lišty) na druhou (např. Zápornou) v závislosti na znaménku výstupního proudu. K tomu dochází bez ohledu na to, zda je zátěž odporová nebo ne. Zdroj by měl mít buď dostatečné kapacitní úložiště na obou kolejích, nebo být schopen tuto energii přenést zpět.

Aktivní výběr zařízení

Aktivní zařízení v zesilovači třídy D musí fungovat pouze jako řízené spínače a nemusí mít zvlášť lineární odezvu na řídicí vstup. Obvykle se používají bipolární tranzistory nebo tranzistory s efektem pole. Vakuové trubice lze použít jako zařízení pro přepínání výkonu ve výkonových zvukových zesilovačích třídy D.

Kontrola chyb

Skutečný výkon zesilovače nezávisí jen na obsahu modulovaného signálu PWM. Napájecí napětí přímo amplitudově moduluje výstupní napětí, chyby mrtvé doby činí výstupní impedanci nelineární a výstupní filtr má silně závislou frekvenční odezvu na zatížení. Účinným způsobem boje proti chybám, bez ohledu na jejich zdroj, je negativní zpětná vazba . Zpětnovazební smyčku včetně koncového stupně lze vytvořit pomocí jednoduchého integrátoru. K zahrnutí výstupního filtru se používá PID regulátor , někdy s dalšími integračními pojmy. Potřeba přivádět skutečný výstupní signál zpět do modulátoru činí přímou generaci PWM ze zdroje SPDIF neatraktivní. Zmírnění stejných problémů v zesilovači bez zpětné vazby vyžaduje řešení každého zvlášť u zdroje. Modulace napájecího zdroje může být částečně zrušena měřením napájecího napětí k úpravě zisku signálu před výpočtem PWM a zkreslení lze snížit rychlejším přepínáním. Výstupní impedanci nelze ovládat jinak než zpětnou vazbou.

Výhody

Hlavní výhodou zesilovače třídy D je to, že může být účinnější než lineární zesilovač, s menším výkonem rozptýleným jako teplo v aktivních zařízeních. Vzhledem k tomu, že nejsou vyžadovány velké chladiče, jsou zesilovače třídy D mnohem lehčí než zesilovače třídy A, B nebo AB, což je důležitý aspekt u přenosných zařízení pro zesílení zvuku a basových zesilovačů . Příkladem zesilovačů třídy D jsou výstupní stupně, jaké se používají v pulzních generátorech . Tento termín se však většinou vztahuje na výkonové zesilovače určené k reprodukci zvukových signálů s šířkou pásma hluboko pod spínací frekvencí.

Monofonní zesilovač Boss Audio Koncový stupeň je vlevo nahoře, výstupní tlumivky jsou dva žluté toroidy pod nimi.

Použití

  • Systémy domácího kina v krabici . Tyto ekonomické systémy domácího kina jsou téměř univerzálně vybaveny zesilovači třídy D. Na základě skromných požadavků na výkon a přímočarého designu je nejběžnější přímý převod z digitálního zvuku na PWM bez zpětné vazby.
  • Mobilní telefony . Interní reproduktor je napájen až 1 W. Třída D slouží k prodloužení životnosti baterie.
  • Naslouchadla . Miniaturní reproduktor (známý jako přijímač) je přímo poháněn zesilovačem třídy D pro maximalizaci životnosti baterie a může poskytovat úrovně nasycení 130 dB SPL nebo více.
  • Napájené reproduktory
  • High-end audio je obecně konzervativní, pokud jde o přijetí nových technologií, ale zesilovače třídy D se objevily
  • Aktivní subwoofery
  • Systémy zesílení zvuku . U velmi vysokého zesílení výkonu je ztráta výkonu zesilovačů AB nepřijatelná. Zesilovače s výstupním výkonem několika kilowattů jsou k dispozici jako třída D. K dispozici jsou výkonové zesilovače třídy D, které mají jmenovitý výkon 1 500 W na kanál, avšak váží pouze 21 kg (46 lb).
  • Zesílení basového nástroje
  • Vysokofrekvenční zesilovače mohou k zajištění vysoce účinného zesílení vysokofrekvenčního výkonu v komunikačních systémech používat třídu D nebo jiné třídy spínacího režimu.

Viz také

Reference

externí odkazy