В останні роки все більшу і більшу популярність набувають підсилювачі класу D або, як їх ще називають, імпульсні підсилювачі. Деякі виробники дають їм назву «цифрові підсилювачі», але воно якось некоректно, оскільки ніякого перетворення звуку в двійковий код там немає. В підсилювачі класу D звуковий сигнал перетвориться в послідовність імпульсів різної ширини в результаті широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Частота проходження імпульсів зазвичай вибирається в межах 300-500 кГц, це оптимально для всього аудіодіапазона. Якщо підсилювач сабвуферний і перед ним стоїть завдання посилювати тільки діапазон до 100-200 Гц, частоту перемикання можна зменшити до 50-100 кГц.
Раніше імпульсні підсилювачі були цікаві тільки за рахунок свого високого ККД (зазвичай більше 90%) і застосовувалися тільки для управління потужними електродвигунами. Цей факт був безпосередньо пов'язаний з відсутністю високошвидкісних потужних перемикальних елементів, здатних працювати на високих частотах, внаслідок чого високі нелінійні спотворення були просто неминучі. Однак зараз багатьма компаніями-виробниками електронних компонентів випускаються спеціалізовані елементи для побудови підсилювачів класу D, здатні працювати на частотах аж до 1 МГц і вище.
Для оцінки ККД підсилювачів різних класів розглянемо принципи роботи вихідних каскадів, побудованих на біполярних транзисторах.
Вихідний каскад підсилювача класу АВ, виконаний на біполярних транзисторах, має низький ККД, тому що вихідні транзистори, подібно змінним резисторам, змінюють свій активний опір, тим самим керуючи вихідним струмом. В підсилювачі класу АВ неможливо отримати розмах амплітуди вихідної напруги, що дорівнює напрузі харчування, оскільки навіть в повністю відкритому стані напруга між колектором і емітером Uк-е біполярного транзистора, дорівнює приблизно 1-2 В.
В імпульсних підсилювачах силовими елементами є потужні польові транзистори, у яких існує тільки 2 стану - відкрите і закрите. Так як опір відкритого каналу сучасних польових транзисторів дуже мало (зазвичай десятки мОм), отже, і падіння напруги на цих елементах незначне. Меандр, проходячи через вихідний фільтр, перетворюється на змінний струм звукової частоти, осцилограма якого показана на рис. 1.
Мал. 1. Осцилограма перетворення сигналу
Це пояснюється тим, що вихідний дросель, який є невід'ємною частиною імпульсного підсилювача, змінює своє реактивне опір для сигналу зі змінною шпаруватістю. Разом зі шпаруватістю, якою управляє звуковий сигнал, змінюється і струм, що протікає через навантаження.
Значна частина втрат відбувається на фронтах в момент перемикання польових транзисторів, тому, знизивши частоту перетворення, можна зменшити кількість фронтів за одиницю часу і, як наслідок, трохи збільшити ККД. Саме з цієї причини в сабвуферних підсилювачах класу D частоту перемикання знижують аж до 50 кГц.
Як згадувалося вище, сучасні польові транзистори здатні перемикатися з високою швидкістю, тим самим дозволяючи розробнику значно збільшити частоту перетворення і, отже, зменшити габаритні розміри вихідного дроселя. В результаті опір обмотки постійному струму (Rdc) буде теж набагато менше, отже, трохи зменшиться нагрів дроту обмотки.
Підсилювачі класу D діляться на 3 основних типи:
1) Підсилювачі з зовнішнім генератором пилоподібного напруги (рис. 2);
Мал. 2. Структурна схема підсилювача класу D з зовнішнім генератором пилоподібного напруги
2) Самоосцілірующіе підсилювачі (рис. 3);
Мал. 3. Структурна схема самоосціллірующего підсилювача класу D
3) Підсилювачі на основі мікроконтролерів з вбудованим АЦП.
Підсилювачі з зовнішнім генератором пилоподібного напруги найбільш прості у виготовленні і налагодженні, є значно меншими вимогами до топології друкованої плати і компонентів в порівнянні з підсилювачами самоосціллірующего типу. Саме ці підсилювачі в даний час є найпоширенішими серед серійних моделей як сабвуферних підсилювачів, що входять до складу автомобільних акустичних систем, так і широкосмугових професійних, естрадних підсилювачів. Самоосціллірующіе підсилювачі працюють як автогенератори, в них коливальний процес проходить і підтримується за рахунок використання позитивного зворотного зв'язку. Цей тип підсилювачів відрізняється більш високими вимогами до топології друкованої плати, але при тонкому підході до цього питання якість звуковідтворення даного типу підсилювачів значно перевершує інші.
У свою чергу, самоосціллірующіе підсилювачі діляться на 2 підкласу, в яких зворотний зв'язок організована до вихідного фільтра і після нього. У схемах, де зворотний зв'язок організована до вихідного фільтра, вона виправляє тільки нелінійності потужного компаратора, а вихідний фільтр знаходиться поза контролем.
Такі підсилювачі мають не дуже рівну АЧХ, і вихідний імпеданс у них сильно зростає разом з частотою.
Підсилювачі, у яких зворотний зв'язок береться тільки після вихідного фільтра, позбавлені всіх цих недоліків. Негативний зворотний зв'язок організована після фільтра і максимально можливо виправляє все нелінійності, а коливальний процес починається за рахунок того, що на певній частоті зсув фази становить 180 градусів, тобто на цій частоті ОС стає позитивною, і підсилювач працює як генератор.
Фаза зсувається завдяки затримок сигналу, які відбуваються в самому компараторе, вихідному фільтрі і спеціальної фазосдвигающей RC-ланцюжку.
Такий принцип роботи самоосціллірующіх підсилювачів класу D має назву UcD, він був розроблений і запатентований компанією NXP Semiconductor (раніше - Philips Semiconductor) в 2005 році. Структурна схема такого підсилювача представлена на рис. 4.
Мал. 4. Структурна схема підсилювача класу D, що працює за принципом UcD
Він поєднує в собі геніальну простоту і високу якість звуку. Оригінальні модулі UcD, які виробляє компанія Hypex (рис. 5), мають зовсім неглибоку зворотний зв'язок (близько 30 дБ) в порівнянні з підсилювачами класу АБ (у яких глибина ОС - в районі 60 дБ), і помірно низький рівень спотворень, порядку 0 , 03%.
Мал. 5. Оригінальний модуль підсилювача UcD компанії Hypex
Вітчизняна промисловість також починає розробки аудіотехніки на основі підсилювачів класу D, і на даний момент досягнуті досить відчутні результати. Одним з розробників підсилювачів потужності з використанням технології UcD є Сергій Кузнецов.
Він люб'язно поділився з нами своїми напрацюваннями в цій області:
«Будь-який розробник аудіотехніки скаже, що підсилювачі з неглибокою зворотним зв'язком, або ж взагалі без ОС, звучать більш реалістично і приємно, ніж підсилювачі, охоплені глибокої ОС, незважаючи на кращі значення параметрів останніх. Це - суб'єктивна оцінка, зрозуміло, що якість підсилювача оцінюється не тільки цифрами, зазначеними в технічній документації. Перш за все, підсилювач потрібно слухати. Оригінальні модулі UcD, які виробляє Hypex, мають зовсім неглибоку зворотний зв'язок (близько 30 дБ) в порівнянні з підсилювачами класу АВ (у яких глибина ОС в районі 60 дБ), і помірно низький рівень спотворень, порядку 0,03%. Я не став експериментувати з номіналами ОС, тому що у мене немає підстав не довіряти розробникам Hypex. Розроблений мною підсилювач з використанням технології UcD (рис. 6) здатний працювати на динамічну головку опором 4 і 8 Ом, віддаючи при цьому в навантаження максимальну музичну потужність до 400 Вт.
Мал. 6. Підсилювач UcD, розроблений Сергієм Кузнєцовим
На вході стоїть фільтр ВЧ на рівні 20 кГц, щоб високочастотний шум не проникав на вхід.
У підсилювачів класу D, навіть у тих, у яких ОС організована до фільтра, дуже низький вихідний імпеданс, особливо в області низьких частот, у UcD ж він практично однаково низький у всій аудіополосе, крім того, зворотний зв'язок компенсує Rdc дроселя, тобто коефіцієнт демпфірування виходить дуже високим. Це особливо важливо при використанні підсилювача з потужними сабвуферами: який би не був динамік, UcD зможе відмінно його контролювати, забезпечуючи тим самим чіткий бас без гудіння. (Причиною гудіння є якраз поганий коефіцієнт демпфірування більшості серійних сабвуферних підсилювачів). Правильно спроектований UcD буде володіти якістю, порівнянним з якістю підсилювачів, що використовуються в студійних моніторах. Така якість і точність передачі звукового сигналу досягається за рахунок застосування неглибокої ОС, а для того, щоб зберегти низький рівень спотворень, немає необхідності підбирати всі транзистори в пари за параметрами, так як всі вони працюють в ключовому режимі.
Як відомо, на якість звуку впливає кількість активних компонентів, які стоять на шляху проходження сигналу. В підсилювачах АВ доводиться застосовувати різноманітні ланцюга корекції з малошумящими дорогими транзисторами і операційними підсилювачами, в UcD ж необхідність в цьому також відпадає по вже названої причини - ключовий режим роботи всіх активних компонентів. Рівень шуму і характер звучання практично повністю визначаються вхідним операційним підсилювачем, який легко можна міняти і вибрати найбільш вподобаний. Ще один серйозний плюс підсилювачів класу D - це відсутність теплових спотворень.
Розглянемо, як працюють вихідні транзистори в лінійному підсилювачі. При подачі на вхід підсилювача сигналу звуковий частоти вихідні транзистори починають періодично плавно відкриватися і закриватися, тобто проходить через кожен транзистор струм пульсує практично від максимального значення вихідного струму до струму спокою. При цьому також змінюється значення напруги колектор-емітер. Разом з напругою і струмом змінюється і розсіює потужність вихідних транзисторів, причому змінюватися вона може в дуже широких діапазонах. Це викликає пульсацію температури кристалів. Незважаючи на те, що транзистор встановлений на радіатор, пульсації температури не можна уникнути, так як моментально відвести тепло від кристала транзистора неможливо. Як відомо, при зміні температури транзистора, все його характеристики будуть також змінюватись. Виходить, що разом зі звуковою синусоїдою параметри вихідних транзисторів будуть також варіювати, і, без сумніву, це відіб'ється на звуці не кращим чином. Звичайно, вплив не таке велике, проте різницю при відтворенні низьких частот між підсилювачем класу АВ і класу D чують все, навіть ті, хто не володіє музичним слухом. »
У зв'язку з появою підсилювачів класу D, виконаних за технологією UcD, перспективи у цього класу підсилювачів істотно підвищилися. Тепер вони можуть застосовуватися для побудови не тільки побутових аудіосистем, а й професійної техніки, наприклад концертного і студійного обладнання, трансляційних підсилювачів, професійного обладнання для кінозалів і розважальних комплексів, автомобільних акустичних систем. Головними факторами успішної конкуренції підсилювачів UcD навіть з топовими моделями класів А і АВ стали найвищу якість звукопередачи і високий ККД, що досягає 97%, а також низька собівартість.
Принципова схема UcD-підсилювача розробки Сергія Кузнєцова представлена на рис. 7, а перелік транзисторів NXP, використаних в розробці - в таблицях 1 і 2.
Мал. 7. Принципова схема підсилювача UcD конструкції Сергія Кузнєцова
Таблиця 1. Біполярні транзистори до принципової схемою рис. 7
Найменування U, CE U, BE I, C P, tot Корпус BCP56-16 80 В 5 В 1 А 1,33 Вт SOT-223 BCP53-16 -80 В -5 В -1 А 1,33 Вт SOT-223 BC807 - 45 В-5В -0,5 А 0,25 Вт SOT-23 BC846 65 В 6 В 0,1 А 0,25 Вт SOT-23
Таблиця 2. Вихідний польовий MOSFET до принципової схемою рис. 7
Найменування U, DS R, DS on I, D Q, QD Корпус PHP28NQ15 150 В 65 мОм 28,5 А 7,5 nC TO-220AB
Використані інформаційні ресурси:
http://www.classd.fromru.com/ , http://hypex.nl/ , http://tora.122mb.com/ .
З питань отримання технічної інформації звертайтеся в компанію КОМПЕЛ.
Е-mail: [email protected] .
Нові мікроконтролери з ядром ARM7
Компанія NXP анонсувала новий мікроконтролер LPC2478, що є єдиним випускається мікро контролером з ядром ARM7TM з вбудованою флеш-пам'яттю і інтегрованою підтримкою РКІ. Варіант без флеш-пам'яті має позначення LPC2470. Особливістю нових мікроконтролерів є наявність двох високошвидкісних шин ядра ARM (AHB), що забезпечують паралельне функціонування великого набору периферійних пристроїв з високою пропускною здатністю. У їх числі інтерфейс РКІ, шина 10/100 Ethernet, пристрій OTG / хост-шини USB і два CAN-інтерфейсу.
Значно скорочуючи вартість, площа і споживану потужність, нові мікроконтролери компанії NXP прекрасно підходять для застосування в промислових, побутових, торгових і медичних пристроях, що використовують РК-панелі і вимагають підключення до локальної мережі або мережі Інтернет.
Про компанію
...Читати далі