Pojačalo klase D. Audio pojačalo za automobile

21. 4. 2019.

Tehnologija pojačavanja zvučnih signala razvija se već 15-20 godina. Ima prilično određene prednosti u odnosu na onu koja je ugrađena u raširena audio ili pojačala za klasu A ili AB. Podrazumijevamo pojačalo D-klase. Njegova je prednost prvenstveno zbog visoke učinkovitosti.

Klase pojačala za automobile

Auto audio pojačalo koje radi u klasi A sastoji se od tranzistorskih stupnjeva koji se uključuju (provode) i tijekom cijelog trajanja ulaznog audio signala iu njegovoj odsutnosti. Ima nisku razinu izobličenja pojačanog audio izlaznog signala, budući da njegovi tranzistori rade na linearnim dijelovima svojih karakteristika i u potpunosti prenose ulazne signale na izlazni krug, ali u isto vrijeme ima vrlo nisku učinkovitost. Ovi uređaji obično su dizajnirani za visoko kvalitetne audio aplikacije za koje problemi gubitka snage nisu presudni. Transistori pojačala klase B provode samo negativne ili pozitivne poluvalove ulaznog signala. Štoviše, prisutnost mrtvih zona blizu nule dovodi do visoke razine izobličenja. Međutim, ovaj učinak daje mnogo bolje karakteristike nego u uređajima tipa A. Pojačalo klase AB kombinira značajke oba prethodna s ciljem postizanja bolje učinkovitosti nego u klasi A, ali manje izobličenja nego u tipu B. Iako su ovi uređaji prikladni za uređaje male snage, ili, u najboljem slučaju, prosječne snage, trend posljednjih godina je oslobađanje sve snažnijih pojačala. Jednom je 30 vata smatrano sasvim dovoljno da zadovolji većinu potrošača. Sada je to jedva dovoljno za stvaranje visokokvalitetnog stereo audio pojačala za automobile. Kao rezultat toga, stvorene su njihove nove klase, uključujući klasu D, kako bi se nosile s tom velikom potrošnjom energije.

Koje su prednosti uređaja D-klase?

Njihova se arhitektura potpuno razlikuje od pojačala ostalih gore navedenih klasa i slična je pulsirajućoj izvori energije (UPS). Pojačalo D-klase također se temelji na korištenju visokofrekventne modulacije širine impulsa (PWM ili PWM) za stvaranje izlaznog signala. Njegovi tranzistori su ili potpuno uključeni (pad napona na njima je vrlo mali), ili potpuno isključen (struja kroz njih je blizu nule). U oba slučaja, snaga električnih gubitaka (proizvod struje i pada napona) vrlo je mala i oni, u pravilu, gube mnogo manje energije u obliku topline. Stoga je ova arhitektura dobro implementirana na temelju vrlo malih i ekonomičnih MOS tranzistora. Pojačalo D-klase može postići vrlo visoku razinu energetske učinkovitosti, što dovodi do značajne uštede energije izvora napajanja. Međutim, pretvorba ulaznog audio signala u PWM signal, uz njegovu kvantizaciju, sama po sebi može uzrokovati više izobličenja na izlazu nego u pojačalu različite arhitekture. Svrha izrade uređaja ove klase bila je smanjiti izobličenja na niskim razinama uz zadržavanje visoke energetske učinkovitosti.

Usporedba učinkovitosti pojačala različitih klasa

Na donjoj slici prikazana je tipična ovisnost učinkovitosti o izlaznoj snazi ​​za uređaje razreda D i AB. klasa pojačala automobila Teoretska maksimalna učinkovitost u D-klasi doseže 100%, a više od 90% se postiže u praksi. Imajte na umu da on doseže 90% već pri umjerenoj izlaznoj snazi, dok je maksimalna učinkovitost u AB klasi na 78% dobivena samo pri punoj snazi. U praktičnom povećanju glazbenih signala, učinkovitost je manja od 50%. Pojačalo zvuka klase D s visokom učinkovitošću troši manje energije za danu izlaznu snagu, ali što je još važnije, zahtjevi za hladnjak se drastično smanjuju. Svatko tko je izgradio ili vidio moćno audio pojačalo vjerojatno zna da su veliki aluminijski radijatori potrebni za održavanje relativno niske temperature elektronike.

Učitaj na energetski transformator također je smanjen za značajnu količinu, dopuštajući korištenje njegove manje veličine za istu izlaznu snagu. Mogu li vlastitim rukama izgraditi pojačalo klase D?

Donja slika pokazuje takav uređaj od 400 W. do-it-yourself klasa d pojačalo Kvalificirani radio amater neće vidjeti ništa u ovom dizajnu koji bi ga prisilio da napusti svoj rukopis.

Područje primarne uporabe

Ako se bavite detaljima ove tehnologije, primijetit ćete da bi dobro (nisko izobličeno, potpuno rasponsko) pojačalo D-klase trebalo raditi na prilično visokim frekvencijama, u rasponu od 100 kHz do 1 MHz, koristeći signalne uređaje velike brzine i odgovarajuće izvore napajanja. , U početku, to je dovelo do korištenja ove klase u kojoj nije potrebna puna propusnost i dopuštena je viša razina izobličenja, tj. U subwooferima i uređajima za industrijsku uporabu.

Međutim, tijekom vremena sve se promijenilo, a zahvaljujući današnjim tranzistorskim prekidačima velike brzine, korištenje napredne tehnologije povratne veze, uređaji klase D mogu se razviti za sve vrste aplikacija, uključujući audio pojačalo u automobilu. Odlikuju se velikom razinom snage, malom veličinom i malim izobličenjima, usporedivim s dobrom konstrukcijskom klasom AB.

Klasa D pojačalo: strukturni dijagram

Može se implementirati u analognom ili digitalnom obliku. Analogna verzija obično se sastoji od komparatora, trokutastog generatora signala i nekoliko blokova za pretvaranje ulaznog signala prije primjene na izlazne MOSFET tranzistore. Shema takvog audio pojačala prikazana je na slici ispod. krug pojačala klase d Audio signal se prvo pretvara u pulsno-modulirani (skraćeno PWM). Poput signala u krugovima digitalnih uređaja koji prihvaćaju samo dvije razine - logičke 1 i 0, također ima samo dvije razine - visoku i nisku. Međutim, varijabilna razina ulaznog audio signala sadržana je u njegovom parametru kao što je trajanje impulsa. Što je veći ulazni signal, to traje kraći puls. Naravno, takva zamjena analognog signala, sposobnog za uzimanje beskonačnog broja vrijednosti u bilo kojem intervalu širine impulsa PWM signala, samo jedna vrijednost tog trajanja dovodi do gubitka informacija. Ali što je frekvencija ponavljanja pulsa veća, točnije se reproducira zvuk. Kako ga točno pretvara klasa D? Krug sadrži izlazni stupanj tranzistori s efektom polja prikazan je zasebno na slici ispod. pojačalo klase d Oni pojačavaju ulazne impulse bez uvođenja gotovo bilo kojeg izobličenja u njihov oblik. Pojačani PWM signal, koji prolazi dalje kroz izlazni niskopropusni filtar, ponovno se pretvara u analogni oblik, koji predstavlja pojačani ulazni signal.

Još jednom o snazi ​​rasipanja izlaznih tranzistora

Jednostavno audio pojačalo (klasa A ili AB) ima najmanje jedan izlazni uređaj (u obliku bipolarnog ili poljskog tranzistora) koji provodi struju u bilo kojem trenutku. Tekući sam teče kroz to prolazi kroz kolektor-emiter čvor (ili odvod-izvor), gdje postoji neki pad napona U. Čak i ako nema izlazni signal, mala količina struje mora teći kroz tranzistor. Budući da vrijednost P = U * I određuje disipiranu snagu, dolazi do nekog toplinskog raspršenja. Kako se izlazni napon povećava, razina naboja na tranzistoru će pasti, ali će se struja povećati. Na zasićenju (cut-off) napon između kolektora i emitera (odvodni izvor) bit će nizak, ali će struja postati prilično visoka. S druge strane, uz nisku razinu izlazne snage, struja je mala, ali veliki pad napona. To dovodi do krivulje disipacije snage koja nelinearno ovisi o izlaznoj snazi. Postoji minimalna minimalna toplinska disipacija (minimalna učinkovitost) i točka u kojoj se postiže učinkovitost od oko 78% u uređaju čiste klase AB i 25% ili manje u klasi A.

Jednostavno pojačalo zvuka klase D, s druge strane, temelji svoj rad na prebacivanju izlaznog tranzistora između dva stanja, naime "On" i "Off". Prije razmatranja pojedinosti pojedinih krugova, možemo reći da određena količina struje teče kroz uređaj u stanje "Uključeno", dok teoretski na prijelazu odvodnog izvora napon koji dolazi iz izvora napajanja praktički ne pada (da, gotovo svaki uređaj D koristi MOS tranzistore), dakle, disipirana snaga je teoretski nula. U stanju isključenosti, pad napona bit će jednak punom naponu napajanja, tako da je tranzistor poput dijela otvorenog kruga kroz koji struja ne teče (što je vrlo blizu stvarnosti).

Što je PWM signal?

Izlazni tranzistori pojačala D klase mogu na izlazu pojačala stvoriti samo dvije razine napona koje odgovaraju dvjema gore navedenim stanjima. U ovom slučaju, sinusoid ne može biti predstavljen s ove dvije moguće razine. U stvari, audio signal modulira trajanje izlaznih pravokutnih impulsa, koji traju od jednog stanja tranzistora do drugog, tako da se informacije o njemu još uvijek pohranjuju. Sada trebamo razumjeti kako se radi ova modulacija i kako oporaviti pojačani zvučni signal iz impulsa. Najčešća metoda koja se koristi u uređajima klase D je PWM četvrtastog vala. Iako je brzina ponavljanja posljednje fiksna, njihovo trajanje ovisi o ulaznom audio signalu. Prema tome, kad se ulazni signal poveća, trajanje impulsa se povećava, a pauze između njih se smanjuju i obrnuto.

Krug generiranja PWM signala

Obično se generira uspoređivanjem ulaznog signala s trokutastim pulsnim vlakom. Oba signala ulaze na ulaz komparatora, kao što je prikazano na slici ispod. audio pojačalo za auto Trokutni impulsi određuju amplitudu ulaznog audio signala za punu modulaciju i frekvenciju prebacivanja izlaznih tranzistora. Izlaz "digitalnog" usporednika koristi standardne razine logike, gdje 0 V odgovara logičkoj nuli, a 5 V odgovara logičkoj. Zbog ove kvazi-digitalizacije PWM signala, pojačala koja ga koriste ponekad se pogrešno nazivaju digitalnim pojačalima. Zapravo, cijeli proces je više analogan nego digitalni. Najvjerojatnije se PWM signal može pripisati diskretnim signalima, a brzina ponavljanja impulsa je frekvencija uzorkovanja izvornog analognog signala.

Kako se generira PWM signal

Slika ispod prikazuje kako se audio signal pretvara u PWM oblik pomoću komparatora koji uspoređuje audio signal koji se sastoji od sinusoidalnog harmonijskog vala relativno niske frekvencije s trokutastim signalom mnogo veće frekvencije. pojačalo zvuka klase d Na izlazu komparatora formira se visoka razina ako je trenutni napon trokutastog vala manji od zvučnog signala, ili nizak ako je viši. Logika ove transformacije može biti inverzna. Tada se formira visoka razina ako trokutasti signal prelazi sinusni signal, a niska razina - u suprotnom slučaju, kao što je prikazano na slici ispod. jednostavno pojačalo zvuka

U svakom slučaju, izlaz komparatora sastoji se od niza impulsa čija se širina mijenja ovisno o trenutačnoj razini ulaznog signala. Prosječna razina PWM signala ima isti oblik kao i izvorni audio signal.

Kako vratiti audio signal iz PWM signala

Da bi se dobila točna kopija ulaznog analognog napona iz diskretnog PWM signala, njegova frekvencija uzorkovanja mora biti mnogo veća od maksimalne frekvencije u svom spektru. Prema Nyquistovom teoremu (ruska teorija telekomunikacija koristi svoj analog, Kotelnikov teorem), taj suvišak mora biti barem dvostruko, međutim, visokokvalitetna pojačala s niskom razinom izobličenja koriste veliki omjer (obično od 5 do 50).

PWM signal, pojačan stupnjem izlaznog tranzistora, sadrži niskofrekventne komponente koje u potpunosti reproduciraju spektar ulaznog audio signala. Ali ona također sadrži komponente s frekvencijom uzorkovanja (i njezinim harmonicima) koje se moraju ukloniti kako bi se vratio izvorni modulacijski zvučni signal. Za postizanje tog cilja potreban je snažan niskopropusni filtar. Obično se koristi pasivni LC filtar, jer u njemu gotovo nema gubitaka, a ima malo ili gotovo nikakvu disperziju. Iako bi uvijek trebalo biti nekih gubitaka, u praksi su oni minimalni.

Digitalna implementacija

Digitalno pojačalo klase D sastoji se od jedinica za digitalnu obradu i prijenos podataka implementiranih na mikrokontroleru i jedinice za generiranje signala PWM. Može se implementirati kao vanjski, samostalni uređaj za već gotov audio sustav. Međutim, to dovodi do dodatnih troškova (potrebnih za kupnju i lemljenje čipova) i potencijalnog povećanja troškova otklanjanja pogrešaka sučelja između ulaznog izvora audio signala i pojačala.

Pojačalo zvuka na čipu mikrokontrolera karakterizira sljedeće:

• frekvencija PWM signala (uzorkovanje) mora biti najmanje 10 puta veća od maksimalne frekvencije ulaznog signala tako da se može adekvatno rekonstruirati na izlazu pojačala;

• visoka razlučivost procesa kontrole širine PWM impulsa kako bi se spriječilo izobličenje kvantizacije izlaznog signala;

• prisutnost metode uzorkovanja ulaznog analognog signala;

• jezgra velike brzine za digitalnu obradu i upravljanje podacima;

• sučelje za prijenos PWM signala na vanjske MOSFET tranzistore.

Primjer uređaja koji može zadovoljiti sve ove zahtjeve je 32-bitni mikrokontroler tipa SiM3U1xx s velikom brzinom perifernih uređaja ulazno-izlazna tvrtka za proizvodnju Silicon Labs (Austin, Texas, USA). Ovi mikrokontroleri jedinstveno su prikladni za netradicionalne aplikacije kao što su pojačala snage klase D koja se izravno spajaju na zvučnike. Jedine vanjske komponente potrebne za audio pojačalo na SiM3U1xx su prigušnica i nekoliko kondenzatora. I / O uređaji također imaju programabilno ograničenje struje, omogućuju vam korištenje do 16 razina glasnoće bez potrebe za firmwareom za mjerenje audio podataka, uz uštedu vremena i memorije. Budući da se napajaju zasebnim naponom od ostatka uređaja, mogu se povezati s vanjskim MOS tranzistorima velike snage.

digitalno pojačalo klase d

SiM3U1xx uređaji također uključuju USB audio primopredajnik kompatibilan s USB audio sučeljem, ugrađenom 256 KB flash memorijom, dva 12-bitna analogno-digitalna pretvarača koji digitaliziraju streaming zvuka s računala ili prijenosnog glazbenog playera. Blok dijagram uređaja prikazan je na slici. Može se koristiti i kao pojačalo u automobilu.