Zesilovač třídy D. Zesilovač zvuku pro automobily

Technologie zesílení zvukových signálů se vyvíjí již 15-20 let. Má zcela jisté výhody oproti tomu, který je implementován v rozšířených zesilovačích třídy A nebo AB. Máme na mysli zesilovač třídy D. Výhodou je především díky vysoké účinnosti.

Třídy automobilového zesilovače

Audiový zesilovač pracující ve třídě A se skládá z tranzistorových stupňů, které jsou zapnuty (chování) jak po celou dobu trvání vstupního audio signálu, tak při jeho nepřítomnosti. Má nízkou úroveň zkreslení zesíleného audio výstupního signálu, protože jeho tranzistory pracují na lineárních úsecích svých vlastností a plně přenášejí vstupní signály na výstup obvodu, ale současně má velmi nízkou účinnost. Tato zařízení jsou obvykle určena pro vysoce kvalitní zvukové aplikace, pro které nejsou ztráty elektrické energie rozhodující. Zesilovače tranzistoru třídy B provádějí pouze negativní nebo kladné poloviny vlnového signálu. Kromě toho přítomnost mrtvých zón poblíž nulové značky vede k vysoké úrovni zkreslení. Tento efekt však poskytuje mnohem lepší vlastnosti než u zařízení typu A. Zesilovač třídy AB kombinuje vlastnosti obou předchozích s cílem dosáhnout lepší účinnosti než u třídy A, ale méně zkreslení než u typu B. I když jsou tato zařízení vhodná pro zařízení s nízkým výkonem, nebo v nejlepším případě průměrné síly, trend v posledních letech je uvolnění stále silnějších zesilovačů. Jakmile bylo 30 wattů považováno za dostačující pro uspokojení většiny spotřebitelů. Nyní už jen stěží stačí vytvořit vysoce kvalitní stereo audio zesilovač pro automobily. V důsledku toho byly vytvořeny nové třídy, včetně třídy D, aby se vyrovnaly s touto vysokou spotřebou energie.

Jaké jsou výhody zařízení třídy D?

Jejich architektura je zcela odlišná od zesilovačů jiných tříd uvedených výše a je podobná pulsním zdroje energie (UPS). Zesilovač třídy D je také založen na použití vysokofrekvenční modulace šířky impulzů (PWM nebo PWM) pro vytvoření výstupního signálu. Jeho tranzistory jsou buď plně zapnuté (pokles napětí na nich je velmi malý), nebo úplně vypnuté (proud přes ně je blízko k nule). V obou případech je síla elektrických ztrát (produkt proudového a poklesu napětí) velmi malá a zpravidla ztrácejí mnohem méně energie ve formě tepla. Takto je tato architektura dobře implementována na základě velmi malých a nákladově efektivních tranzistorů MOS. Zesilovač třídy D může dosáhnout velmi vysoké úrovně energetické účinnosti, což vede k významným úsporám energie zdroje energie. Přeměna vstupního zvukového signálu na signál PWM spolu s jeho kvantizací však sama o sobě může způsobit více zkreslení na výstupu než v zesilovači jiné architektury. Účelem vytvoření zařízení této třídy bylo snížit zkreslení na nízké úrovni a současně udržet vysokou energetickou účinnost.

Srovnání účinnosti zesilovačů různých tříd

Níže uvedený obrázek ukazuje typickou závislost účinnosti na výstupním výkonu u zařízení tříd D a AB. Teoretická maximální účinnost třídy D dosahuje 100% a v praxi je dosaženo více než 90%. Všimněte si, že dosahuje již 90% při mírném výstupním výkonu, zatímco maximální účinnost v třídě AB při 78% se dosahuje pouze při plném výkonu. Při praktickém získávání hudebních signálů je účinnost nižší než 50%. Zvukový zesilovač třídy D s vysokou účinností spotřebovává méně energie pro daný výstupní výkon, ale důležitější jsou požadavky na chladič drasticky snížené. Každý, kdo vybudoval nebo viděl silný zvukový zesilovač, pravděpodobně ví, že velké hliníkové radiátory jsou nezbytné k udržení poměrně nízké teploty elektroniky.

Zapnout výkonový transformátor také sníženo o významné množství, což umožňuje použití menší velikosti pro stejný výkon. Mohu vytvořit vlastní zesilovač třídy D s vlastními rukama?

Na následujícím obrázku je znázorněno takové zařízení o výkonu 400 wattů. Kvalifikovaný amatér v rádiu nevidí v tomto designu nic, co by ho donutilo opustit její rukopis.

Oblast primárního použití

Pokud se podíváte na detaily této technologie, zjistíte, že výkonný zesilovač třídy D (nízký zkreslení, plný rozsah) by měl pracovat na poměrně vysokých kmitočtech v rozmezí od 100 kHz do 1 MHz pomocí vysokorychlostních signalizačních zařízení a vhodných zdrojů energie. . Zpočátku to vedlo k použití této třídy, kde není zapotřebí plné šířky pásma a je povolena vyšší úroveň zkreslení, to znamená v subwooferu a zařízeních pro průmyslové použití.

V průběhu času se však všechno změnilo a díky dnešním vysokorychlostním tranzistorovým přepínačům lze pomocí pokročilé zpětné vazby vyvinout zařízení třídy D pro všechny druhy aplikací, včetně audiosystému v automobilu. Jsou charakterizovány vysokou úrovní výkonu, malou velikostí a nízkým zkreslením, srovnatelnou s dobrou konstrukční třídou AB.

Zesilovač třídy D: konstrukční diagram

Může být implementován v analogové nebo digitální podobě. Analogová verze obvykle sestává z komparátoru, trojúhelníkového generátoru signálů a několika bloků pro konverzi vstupního signálu před jeho aplikací na výstupní tranzistory MOSFET. Schéma tohoto zesilovače je zobrazeno na obrázku níže. Zvukový signál je nejprve převeden na pulzně šířku modulovaný (zkrácený PWM). Stejně jako signály v obvodech digitálních zařízení, které akceptují pouze dvě úrovně - logické 1 a 0, mají také pouze dvě úrovně - vysoké a nízké. Nicméně proměnná úroveň vstupního audio signálu je obsažena v jeho parametru, jako je doba trvání impulsu. Čím větší je vstupní signál, tím kratší trvá impuls. Samozřejmě, taková náhrada analogového signálu, schopného zachytit nekonečný počet hodnot v libovolném intervalu šířky pulzu PWM signálu, pouze jedna hodnota této doby trvání vede ke ztrátě informací. Ale čím větší je frekvence opakování impulsu, tím přesněji se reprodukuje zvuk. Jak přesně způsobí zesilovač třídy D? Obvod obsahuje výstupní stupeň tranzistory s efektem pole zobrazené samostatně na následujícím obrázku. Zesilují vstupní pulsy bez toho, aby do svého tvaru zaváděly téměř žádné zkreslení. Zesílený signál PWM, který dále prochází výstupním nízkopásmovým filtrem, je opět převeden na analogovou formu představující zesílený vstupní signál.

Opět o výkonu rozptýlených výstupními tranzistory

Jednoduchý zvukový zesilovač (třída A nebo AB) má alespoň jedno z výstupních zařízení (ve formě bipolárního nebo pole s efektem tranzistoru), které vede kdykoli proud. Proud, který procházím, prochází skrze sběrač-emitor (nebo odtokový zdroj), kde dochází k poklesu napětí U. I když není výstupní signál, malý proud musí protékat tranzistorem. Vzhledem k tomu, že hodnota P = U * I určuje rozptylovaný výkon, dochází k určitému tepelnému rozptylu. Jak se zvyšuje výstupní napětí, úroveň nabití na tranzistoru klesne, ale proud se zvýší. Při saturaci (vypnutí) bude napětí mezi kolektorem a emitorem (zdroj odtoku) nízké, ale aktuální proud bude poměrně vysoký. Naproti tomu s nízkou úrovní výstupního výkonu je proud malý, ale velký pokles napětí. To vede k křivce rozptylu energie, které závisí nelineárně na výstupním výkonu. Existuje nenulová minimální tepelná ztráta (minimální účinnost) a bod, kde je dosaženo účinnosti přibližně 78% u zařízení čisté třídy AB a 25% nebo méně v třídě A.

Jednoduchý zvukový zesilovač třídy-D na druhé straně založí svou práci na přepínání výstupního tranzistoru mezi dvěma stavy, jmenovitě "Zapnuto" a "Vypnuto". Než budeme diskutovat o konkrétních detailech obvodů, můžeme říci, že určité množství proudu proudí zařízením do stavu "On", zatímco teoreticky při přechodu odtokového zdroje napětí napájeno ze zdroje energie prakticky neklesne (ano, téměř každé zařízení D využívá MOS tranzistory), proto je teoreticky nulová energie. Ve vypnutém stavu se pokles napětí rovná plnému napájecímu napětí, takže tranzistor je jako otevřený obvod, přes který proud neteče (což je velmi blízko k realitě).

Co je PWM signál?

Výstupní tranzistory zesilovače třídy D mohou na výstupu zesilovacího stupně vytvořit pouze dvě úrovně napětí odpovídající dvěma výše uvedeným stavům. V tomto případě nemůže být sinusoid reprezentován těmito dvěma možnými úrovněmi. Ve skutečnosti zvukový signál moduluje trvání výstupních obdélníkových impulzů, které trvají od jednoho stavu tranzistoru k druhému, takže informace o něm jsou stále uloženy. Nyní musíme pochopit, jak se tato modulace provádí a jak obnovit zesílený zvukový signál z impulsu. Nejběžnější metodou používanou v zařízeních třídy D je PWM se čtvercovou vlnou. Přestože opakovací frekvence je fixní, jejich trvání se mění v závislosti na vstupním zvukovém signálu. Když se tedy zvýší vstupní signál, prodlouží se doba trvání impulsu a přestávky mezi nimi se zmenší a naopak.

PWM generování obvodu signálu

Obvykle se generuje porovnáním vstupního signálu s trojúhelníkovým impulsním vlakem. Oba signály jsou přivedeny na vstup komparátoru, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Trojúhelníkové impulsy určují amplitudu vstupního zvukového signálu pro plnou modulaci a spínací frekvenci výstupních tranzistorů. Výstup "digitálního" komparátoru používá standardní logické úrovně, kde 0 V odpovídá logické nulové hodnotě a 5 V odpovídá logické. Kvůli této kvazi-digitizaci signálu PWM jsou zesilovače, které je používají, někdy mylně nazývány digitálními zesilovači. Ve skutečnosti je celý proces analogovější než digitální. S největší pravděpodobností může být PWM signál přiřazen diskrétním signálům a opakující se frekvence jeho impulzů je vzorkovací frekvence původního analogového signálu.

Jak je generován signál PWM

Níže uvedený obrázek ukazuje, jak je audio signál převeden do formátu PWM pomocí komparátoru, který porovnává zvukový signál sestávající ze sinusových harmonických vln relativně nízké frekvence s trojúhelníkovým signálem s mnohem vyšší frekvencí. Na výstupu komparátoru se vytváří vysoká hladina, jestliže je okamžité napětí trojúhelníkové vlny nižší než hladina akustického signálu nebo nízká, pokud je vyšší. Logika této transformace může být inverzní. Pak se vytvoří vysoká úroveň, pokud trojúhelníkový signál překročí sinusový signál a nízkou úroveň - v opačném případě, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

V každém případě výstup komparátoru sestává ze série impulsů, jejichž šířka se mění v závislosti na okamžité hladině vstupního signálu. Průměrná úroveň signálu PWM má stejný tvar jako původní zvukový signál.

Jak obnovit zvukový signál z PWM signálu

Pro získání přesné kopie vstupního analogového napětí z diskrétního signálu PWM musí být její vzorkovací frekvence mnohem vyšší než maximální frekvence ve svém spektru. Podle Nyquistovy věty (ruská teorie telekomunikací používá svůj analog, Kotelnikovova věta) tento přebytek musí být alespoň dvojnásobný, avšak vysoce kvalitní zesilovače s nízkou úrovní zkreslení používají velký poměr (obvykle od 5 do 50).

Signál PWM, zesílený výstupním tranzistorem, obsahuje nízkofrekvenční komponenty, které plně reprodukují spektrum vstupního audio signálu. Obsahuje však také součásti se vzorkovací frekvencí (a jejími harmonickými), které musí být odstraněny za účelem obnovení původního modulačního zvukového signálu. Pro dosažení tohoto cíle je zapotřebí silný dolní propust. Obvykle se používá pasivní LC filtr, protože v něm téměř neexistují žádné ztráty a má málo nebo téměř žádné rozptylování. Ačkoli by měly být vždy nějaké ztráty, v praxi jsou minimální.

Digitální implementace

Digitální zesilovač třídy D se skládá z jednotek digitálního zpracování dat a přenosových jednotek implementovaných na mikrokontroléru a jednotky generující signál PWM. Může být implementován jako externí, samostatné zařízení k již dokončenému audio systému. To však vede k dodatečným nákladům (musíte zakoupit a spárovat čipy) a potenciálnímu nárůstu nákladů na ladění rozhraní mezi vstupním zdrojem audio signálu a zesilovačem.

Zvukový zesilovač na čipu mikrokontroléru je charakterizován následujícím:

• frekvence signálu PWM (vzorkování) musí být alespoň desetkrát vyšší než maximální frekvence vstupního signálu, aby mohla být na výstupu zesilovače přiměřeně přestavěna;

• vysoké rozlišení procesu řízení šířky pulzů PWM, aby se zabránilo zkreslení kvantování výstupního signálu;

• přítomnost metody vzorkování vstupního analogového signálu;

• vysokorychlostní jádro pro digitální zpracování a správu dat;

• rozhraní pro přenos signálu PWM na externí tranzistory MOSFET.

Příkladem zařízení schopného splnit všechny tyto požadavky je 32bitový mikrokontrolér typu SiM3U1xx s vysokorychlostním periferních zařízeních vstupní / výstupní produkční společnost Silicon Labs (Austin, Texas, USA). Tyto mikrokontroléry jsou jedinečné pro netradiční aplikace, jako jsou výkonové zesilovače třídy D, které se přímo připojují k reproduktorům. Jediné externí komponenty potřebné pro zvukový zesilovač na SiM3U1xx jsou tlumivka a několik kondenzátorů. I / O zařízení mají také programovatelný proudový limit, umožňují používat až 16 úrovní hlasitosti, aniž by bylo zapotřebí firmwaru měřit zvuková data a šetřit čas a paměť. Jelikož jsou napájeny odděleným napětím od zbytku zařízení, mohou být připojeny k externím vysoce výkonným MOS tranzistorům.

Zařízení SiM3U1xx obsahují také USB přijímač audio kompatibilní s USB audio rozhraním, vestavěnou paměť 256 KB, dva 12-bitové analogově digitální převodníky, které digitalizují streaming audio z PC nebo přenosného hudebního přehrávače. Blokové schéma zařízení je zobrazeno na obrázku. Může být také použit jako zesilovač v autě.