D -luokan äänivahvistimet: mitä, miksi ja miten

Luokan D vahvistimet, jotka ensin ehdotettiin vuonna 1958, ovat tulleet yhä suositumpiksi viime vuosina. Mitkä ovat luokan D vahvistimet? Kuinka niitä verrataan muun tyyppisiin vahvistimiin? Miksi äänen kiinnostava luokka D on? Mitä tarvitaan "hyvän" ääniluokan D vahvistimen tekemiseen? Mitkä ovat ADI: n luokan D vahvistintuotteiden ominaisuudet? Löydä vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin seuraavilla sivuilla.

Äänenvahvistintausta

Äänenvahvistimien tavoitteena on toistaa syöttöäänisignaalit ääntä tuottavissa lähtöelementeissä halutulla tilavuudella ja tehoillaan, uskomattoman, tehokkaasti ja alhaisella vääristymisellä. Äänitaajuudet vaihtelevat noin 20 Hz: stä 20 kHzbassokaiutintai atweetter). Virtaominaisuudet vaihtelevat laajasti sovelluksen, kuulokkeiden milliwatista, muutamaan wattiin televisiossa tai PC-äänissä, kymmeniin watteihin "mini" -stereoihin ja autoteollisuuteen, satoihin wattiin ja sen jälkeen tehokkaampiin koti- ja kaupallisiin äänijärjestelmiin.

Äänenvahvistimen suoraviivainen analoginen toteutus käyttää transistoreita lineaarisessa tilassa lähtöjännitteen luomiseen, joka on skaalattu kopio tulojännitteestä. Eteenpäin suuntautuva jännitevahvistus on yleensä korkea (vähintään 40 dB). Jos eteenpäin suuntautuva voitto on osa palautesilmukkaa, yleinensilmukkavoittoon myös korkea. Palautetta käytetään usein, koska korkean silmukan voitto parantaa suorituskyvyn tukahduttamista vääristymistä, jotka johtuvat epälineaarisuuksista eteenpäin suuntautuvalla polulla ja vähentämällä virtalähteen kohinaa lisäämällä tehonsiirtojen hylkäämistä (PSR).

Luokan D vahvistimen etu

Tavanomaisessa transistorivahvistimessalähtövaiheSisältää transistorit, jotka toimittavat hetkellisen jatkuvan lähtövirran. Audiojärjestelmien moniin mahdollisiin toteutuksiin kuuluvat luokat A, AB ja B. verrattunaLuokka DSuunnittelut, lähtövaiheinen virran hajoaminen on suuri jopa tehokkaimmassalineaarinenLähtövaiheet. Tämä ero antaa luokan D merkittäviä etuja monissa sovelluksissa, koska alhaisempi virran hajoaminen tuottaa vähemmän lämpöä, säästää piirilevyn tilaa ja kustannuksia ja pidentää akun käyttöä kannettavissa järjestelmissä.

Lineaariset vahvistimet, luokan D vahvistimet ja tehon hajoaminen

Lineaarisen javaimen lähtövaiheet on kytketty suoraan kaiuttimeen (joissakin tapauksissa kondensaattorien kautta). Jos bipolaariset liitäntätransistorit (BJT) käytetään lähtövaiheessa, ne yleensä toimivat lineaarisessa tilassa, suurilla kollektori-emitter-jännitteillä. Lähtövaihe voitiin myös toteuttaa MOS -transistoreilla, kuten kuvassa 1 esitetään.

Kuva 1. CMOS -lineaarinen lähtövaihe.

Teho häviää kaikissa lineaarisissa lähtövaiheissa, koska generointiprosessiV_Ulkona Väistämättä aiheuttaa nollaaI_Ds jaV_Ds ainakin yhdessä lähtötransistorissa. Tehon hajoamisen määrä riippuu voimakkaasti menetelmästä, jota käytetään lähtötransistorien vääristymiseen.

SeLuokka ATopologia käyttää yhtä transistoreista tasavirtalähteenä, joka pystyy toimittamaan kaiuttimen vaatiman enimmäismäärän. Hyvä äänenlaatu on mahdollista luokan A lähtövaiheessa, mutta tehon hajoaminen on liiallista, koska suuri DC-esijännitys virtaa yleensä lähtövaiheessatransistorit(missä emme halua sitä), ilman että niitä toimitetaanpuhuja(Missä haluamme sen).

SeLuokka BTopologia eliminoi tasavirtavirran ja häviää huomattavasti vähemmän tehoa. Sen lähtötransistoreita ohjataan erikseen push-pull-tavalla, jolloin MH-laite voi toimittaa positiivisia virtauksia kaiuttimeen ja ML upottaa negatiivisia virtauksia. Tämä vähentää lähtövaiheen tehon hajoamista, vain transistorien kautta suoritetaan signaalivirta. B -luokan piirissä on kuitenkin huonompi äänenlaatu epälineaarisen käyttäytymisen vuoksi (ristikkäinen vääristymä) Kun lähtövirta kulkee nollan läpi ja transistorit muuttuvat ON- ja OFF -olosuhteiden välillä.

Luokka AB, luokkien A ja B hybridikompromisi, käyttää jonkin verran DC -puolueellisuutta, mutta paljon vähemmän kuin puhdas luokan A malli. Pieni DC -puolueellisuusvirta on riittävä ristin vääristymien estämiseksi, mikä mahdollistaa hyvän äänenlaadun. Tehon hajoaminen, vaikka luokan A ja luokan B rajojen välillä, on tyypillisesti lähempänä luokkaa B. Jotkin hallinta, joka on samanlainen kuin luokan B piiri, tarvitaan luokan AB -piirin syöttämisen tai suurten lähtövirtojen syöttämisen tai upottamisen sallimiseksi.

Valitettavasti jopa hyvin suunnitellulla luokan AB-vahvistimella on merkittävä tehon hajoaminen, koska sen keskitaajuuden lähtöjännitteet ovat yleensä kaukana joko positiivisista tai negatiivisista syöttökiskoista. Suuret viemärilähteen jännitekasput tuottavat siten merkittäviäI_Ds × V_Dsvälitön voiman hajoaminen.

Eri topologian (kuva 2) ansiostaLuokka DVahvistin hajottaa paljon vähemmän voimaa kuin mikään edellä mainituista. Sen lähtövaihe kytkeytyy positiivisten ja negatiivisten virtalähteiden välillä, jotta saadaan jännitepulssien juna. Tämä aaltomuoto on hyvänlaatuinen tehon hajoamiseen, koska lähtötransistoreilla on nollavirta, kun ne eivät kytke, ja niissä on alhainenV_Ds Kun he suorittavat virtaa, antaen siten pienempiäI_Ds × V_Ds.

Kuva 2. Luokan D avoimen silmukanvahvistimen lohkokaavio.

Koska suurin osa äänisignaaleista ei ole pulssijunia, modulaattori on sisällytettävä äänitutkimuksen muuntamiseksi pulsseiksi. Pulssien taajuussisältö sisältää sekä halutun äänisignaalin että merkittävän modulaatioprosessiin liittyvän korkean taajuuden energian. Lähtövaiheen ja kaiuttimen väliin asetetaan usein alhaisen passisuodatin sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) minimoimiseksi ja kaiuttimen ajamiseksi liian paljon korkeataajuusenergiaa. Suodattimen (kuva 3) on oltava häviöton (tai melkein niin) kytkimen lähtövaiheen tehonsiirtymisetujen säilyttämiseksi. Suodatin käyttää yleensä kondensaattoreita ja induktoreita, ja ainoa tarkoituksellisesti haihtuva elementti on puhuja.

Kuva 3. Erilainen kytkentälähtö- ja LC-alhaisen passisuodatin.

Kuvio 4 vertaa ihanteellista lähtövaiheessa tehon hajoamista (P_Diss) luokan A ja luokan B vahvistimissa mitattuna AD1994 -luokan D vahvistimelle, piirretty kaiuttimelle toimitettua voimaa (P_LADATA), annetaan audiotaajuinen siniaaltosignaali. Tehonumerot normalisoidaan tehotasolle,P_LADATAmax, jossa sini on leikattu tarpeeksi aiheuttamaan 10% harmonista vääristymiä (THD). Pystysuora viiva osoittaaP_LADATAMissä leikkaus alkaa.

Kuva 4. Tehon hajoaminen luokan A, luokan B ja luokan D lähtövaiheissa.

Merkittävät erot tehon hajoamisessa ovat näkyvissä monilla kuormitusalueilla, etenkin korkeilla ja kohtalaisilla arvoilla. Leikkauksen alkaessa hajoaminen luokan D lähtövaiheessa on noin 2,5 kertaa vähemmän kuin luokka B ja 27 kertaa vähemmän kuin luokka A. Huomaa, että luokan A lähtövaiheessa kulutetaan enemmän virtaa kuin kaiutin-seuraukset suuren DC-bias-virran käytöstä.

Lähtövaiheetehokkuus,Eff, on määritelty

Leikkauksen alkaessa,Eff= 25% luokan A vahvistimelle, 78,5% luokan B vahvistimelle ja 90% luokan D vahvistimelle (katso kuva 5). Nämä luokan A ja luokan B parhaat tapaukset ovat niitä, joita mainitaan usein oppikirjoissa.

Kuva 5. Luokan A, luokan B ja luokan D lähtövaiheiden tehotehokkuus.

Erot tehon hajoamisessa ja tehokkuudessa laajenevat kohtalaisella tehotasolla. Tämä on tärkeää äänelle, koska kovan musiikin pitkän aikavälin keskimääräiset tasot ovat paljon alhaisemmat (viiden-20 tekijöiden tyypistä riippuen) kuin hetkelliset piikkitasot, jotka lähestymistavatP_LADATAmax. Siten äänivahvistimille [P_LADATA = 0.1 × P_LADATAmax] on kohtuullinen keskimääräinen tehotaso, jolla arvioidaanP_Diss. Tällä tasolla luokan D lähtöasteen hajoaminen on yhdeksän kertaa vähemmän kuin luokka B ja 107 kertaa vähemmän kuin luokka A.

Äänenvahvistin 10- wP_LADATAmax, keskimäärinP_LADATA1 W: stä voidaan pitää realistisena kuuntelutasona. Tässä tilassa 282 MW häviää luokan D lähtövaiheessa, vs. 2,53 W luokalle B ja30.2 WLuokalle A. Tässä tapauksessa luokan D tehokkuus vähenee 78%: iin 90%: iin suuremmalla teholla. Mutta jopa 78% on paljon parempi kuin luokan B ja luokan A tehokkuus -28% ja 3%.

Näillä eroilla on tärkeitä seurauksia järjestelmän suunnitteluun. Yli 1 W: n tehotasoilla lineaaristen lähtövaiheiden liiallinen hajoaminen vaatii merkittäviä jäähdytystoimenpiteitä, jotta vältetään kohtuuttoman lämmitys tyypillisesti käyttämällä suuria metallilevyjä jäähdytyselementteinä tai tuulettimien puhaltamiseksi ilmaa vahvistimen yli. Jos vahvistin toteutetaan integroiduna piirinä, lämmönsiirron helpottamiseksi voidaan tarvita tilaa vievä ja kallis lämpöparannettu pakkaus. Nämä näkökohdat ovat raskaita kuluttajatuotteissa, kuten taulutelevisioissa, joissa tilaa on premium-tai auto-äänellä, jossa trendi on kohti korkeamman kanavan laskemista kiinteään tilaan.

Alle 1 W: n tehotasoilla tuhlattu voima voi olla enemmän vaikeuksia kuin lämmöntuotanto. Jos akkua saavat virran, lineaarinen lähtövaihe tyhjennettäisiin akku lataus nopeammin kuin luokan D malli. Edellä esitetyssä esimerkissä luokan D lähtövaihe kuluttaa 2,8 kertaa vähemmän toimitusvirtaa kuin luokka B ja 23,6 kertaa vähemmän kuin luokan A Resulting suuressa erossa akkujen, kuten matkapuhelimissa, PDA: n ja MP3-soittimien, käytetyissä paristoissa.

Yksinkertaisuuden vuoksi analyysi on tähän mennessä keskittynyt yksinomaan vahvistimeentulosvaiheet. Kuitenkin, kun kaikki vahvistinjärjestelmän tehon hajoamisen lähteet otetaan huomioon, lineaariset vahvistimet voivat verrata suotuisammin luokan D vahvistimiin alhaisella lähtövirran tasolla. Syynä on, että kytkentä -aaltomuodon luomiseen ja moduloimiseen tarvittava teho voi olla merkittävä alhaisella tasolla. Siten hyvin suunniteltujen matalan tai kohtalaisen voiman luokan AB-vahvistimien laajuinen lepotilassa oleva hajoaminen voi tehdä niistä kilpailukykyisiä luokan D vahvistimien kanssa. D -luokan tehon hajoaminen on kuitenkin kiistatta parempi korkeampien lähtötehoiden alueille.

Luokan D vahvistinterminologia ja differentiaali vs. yksipäinen versio

Kuvio 3 esittää lähtötransistorien ja LC -suodattimen differentiaalisen toteutuksen luokan D vahvistimessa. TämäH-siltaaon kaksipuolipisteKytkentäpiirit, jotka toimittavat vastakkaisia ​​polaarisia pulsseja suodattimelle, joka käsittää kaksi induktoria, kaksi kondensaattoria ja kaiutinta. Jokainen puolisilmalla on kaksi lähtötransistoria-korkean puolen transistorin (MH), joka on kytketty positiiviseen virtalähteeseen ja negatiiviseen syöttöön kytketty matalapuolinen transistori (ML). Tässä olevat kaaviot osoittavat korkean puolenpMOS -transistorit. KorkeanpuoleinennMOS-transistoreita käytetään usein koon ja kapasitanssin vähentämiseen, mutta niiden hallitsemiseksi tarvitaan erityisiä portti-ajatuksia (lisälukemista 1).

Koko H-siltapiirit kulkevat yleensä yhdestä tarvikkeesta (v_Dd), maalla, jota käytetään negatiiviseen syöttöliittimeen (v_Ss). Tietylle v_Ddja v_Ss, sillan differentiaalinen luonne tarkoittaa, että se voi toimittaa kaksinkertaisen lähtösignaalin ja neljä kertaa yksipäisten toteutusten lähtötehoa. Puolisiltaan piirit voivat saada virtaa bipolaarisista virtalähteistä tai yksittäisestä tarvikkeesta, mutta yksittäinen versio asettaa potentiaalisesti haitallisen tasavirtajänniteen, V_Dd\/2, kaiuttimen poikki, ellei estävä kondensaattori ole lisätty.

Puoli-siltapiirien virtalähdejännitebussit voidaan "pumpata" nimellisarvojensa ulkopuolelle suurten induktorivirtojen avulla LC-suodattimesta. Pumppauksen transientin DV\/DT: tä voidaan rajoittaa lisäämällä suuria irrottamiskondensaattoreita V: n väliin_Ddja v_Ss. Koko siltapiirit eivät kärsi linja-autopumppuista, koska yksi puolisidoihin virtaava induktorivirta virtaa toisesta, luomalla paikallisen virran silmukan, joka häiritsee minimaalisesti virtalähteitä.

Audio -luokan D vahvistimen suunnittelun tekijät

Alemman tehon hajoaminen tarjoaa voimakkaan motivaation käyttää luokkaa D äänisovelluksiin, mutta suunnittelijalle on tärkeitä haasteita. Näitä ovat:

Lähtötransistorin koon valinta

Lähtövaiheinen suojaus

Äänen laatu

Modulaatiotekniikka

EMI

LC -suodatinsuunnittelu

Järjestelmäkustannukset

Lähtötransistorin koon valinta

Lähtötransistorin koko valitaan optimoimaan tehon hajoaminen monilla signaali -olosuhteilla. Sen varmistaminenV_Dspysyy pienenä, kun suoritat suurtaI_Ds vaatii ON Resistance (R_-Lla) lähtötransistoreista on pieniä (tyypillisesti {{0}}. 1 ohm - 0,2 ohm). Mutta tämä vaatii suuria transistoreita, joilla on merkittävä portin kapasitanssi (C_G). Kapasitanssia kytketty porttivetopiiri kuluttaa voimaaCV²fmissäC on kapasitanssi,V on jännitteen muutos latauksen aikana jaf on kytkentätaajuus. Tämä "kytkentähäviö" muuttuu liialliseksi, jos kapasitanssi tai taajuus on liian korkea, joten käytännöllisiä ylärajoja on olemassa. Transistorin koon valinta on siis kompromissi minimointiaI_Ds × V_Ds tappiot johtavuuden aikana vs. minimointivaihtaminentappiot. Johtavat häviöt hallitsevat tehon hajoamista ja tehokkuutta korkeilla lähtötehoiden tasolla, kun taas haihtuminen hallitsee häviöiden vaihtamista alhaisilla lähtötasoilla. Power -transistorin valmistajat yrittävät minimoidaR_-Lla × C_G Laitteidensa tuote vähentämään tehon hajoamista kytkentäsovelluksissa ja joustavuuden aikaansaamiseksi kytkentätaajuuden valinnassa.

Lähtövaiheen suojaaminen

Lähtövaihe on suojattava monilta mahdollisesti vaarallisilta olosuhteista:

Ylikuumeneminen: Luokan D: n lähtövaiheetehtävät, vaikkakin alhaisemmat kuin lineaaristen vahvistimien, voi silti saavuttaa tasot, jotka vaarantavat lähtötransistorit, jos vahvistin pakotetaan tuottamaan erittäin suurta tehoa pitkään. Vaaralliselta ylikuumenemiselta tarvitaan tarvittavaa lämpötilan valvonnan ohjauspiiriä. Yksinkertaisissa suojausjärjestelmissä lähtövaihe sammuu, kun sen lämpötila, kuten on siru-anturi, ylittää alämmönsuhdeTurvakynnys, ja sitä pidetään pois, kunnes se jäähtyy. Anturi voi tarjota lisälämpötilatietoja lukuun ottamatta yksinkertaista binaarista osoitusta siitä, onko lämpötila ylittänyt sammutuskynnyksen. Mittaamalla lämpötilaa, ohjauspiiri voi vähitellen vähentää tilavuuden tasoa vähentämällä tehon hajoamista ja pitämällä lämpötilan hyvin rajoissa, jotka pakottavat havaittavissa olevat hiljaisuuden ajanjaksot lämmönsuojatapahtumien aikana.

Liiallinen virran virtaus lähtötransistoreissa: Matala-llaLähtötransistorien vastus ei ole ongelma, jos lähtövaihe ja kaiutinpäätteet ovat oikein kytkettynä, mutta valtavat virrat voivat johtaa, jos nämä solmut ovat tahattomasti oikollisia toisiinsa tai positiivisiin tai negatiivisiin virtalähteisiin. Jos valvonta ei ole, tällaiset virrat voivat vahingoittaa transistoreita tai ympäröivää piiriä. Näin ollen tarvitaan virran tunnistamista lähtötransistorin suojauspiiri. Yksinkertaisissa suojausjärjestelmissä lähtövaihe sammuu, jos lähtövirrat ylittävät turvakynnyksen. Hienostuneemmissa järjestelmissä virta-anturi-lähtö syötetään takaisin vahvistimen etsimiseen, jotta lähtövirta rajoittaa enimmäisturvalliselle tasolle, samalla kun vahvistin voi toimia jatkuvasti sammuttamatta. Näissä järjestelmissä sammutus voidaan pakottaa viimeisenä keinona, jos rajoitusyritys osoittautuu tehottomaksi. Tehokkaat virranrajoittajat voivat myös pitää vahvistimen käynnissä turvallisesti hetkessä suurten ohimenevien virtojen läsnä ollessa kaiutinresonanssien vuoksi.

Alijännite: Useimmat kytkentäsiirtopiirit toimivat hyvin vain, jos positiiviset virtalähteet ovat riittävän korkeat. Ongelmat tulokset, jos onalijänniteEdellytys, missä tarvikkeet ovat liian alhaiset. Tätä asiaa käsittelee yleisestialijännitesulkuPiiri, joka sallii lähtövaiheiden toiminnan vain, jos virtalähteen jännitteet ovat alajännitteen yläpuolella.

Lähtötransistorin kääntämisajoitus: MH- ja ML -lähtövaiheen transistorit (kuva 6) on erittäin alhainen-llavastus. Siksi on tärkeää välttää tilanteita, joissa sekä MH että ML ovat samanaikaisesti, koska tämä aiheuttaisi alhaisen kestävän polun V: stä_Ddv -arvoon_Sstransistorien ja suuren kauttaläpimurtonykyinen. Parhaimmillaan transistorit kuumenevat ja tuhlaavat voimaa; Pahimmassa tapauksessa transistorit voivat vaurioitua.EnnenTransistorien hallinta estää ampuma-olosuhteet pakottamalla molemmat transistorit pois ennen kuin kytketään yhden päälle. Aikavälejä, joissa molemmat transistorit ovat pois päältäei päällekkäinen aikataikuollut aika.

Kuva 6. Lähtövaiheiden transistorien murtautumiselle.

Äänen laatu

Useita kysymyksiä on puututtava hyvän äänen laadun saavuttamiseksi luokan D vahvistimissa.

Napsautukset ja popit, jotka tapahtuvat, kun vahvistin kytkeytyy päälle tai pois päältä, voi olla erittäin ärsyttävää. Valitettavasti niitä on kuitenkin helppo tuoda käyttöön luokan D vahvistimeen, ellei modulaattoritilaan kiinnitetä huolta huomiota, lähtöasteen ajoitusta ja LC-suodatintilaan, kun vahvistin on mykistetty tai hävitetty.

Signaali-kohinasuhde (SNR):Vahvistimen kohinan lattian kuultavan vihan välttämiseksi SNR: n tulisi tyypillisesti ylittää 90 dB pienitehoisissa vahvistimissa kannettavissa sovelluksissa, 100 dB keskisuurissa malleissa ja 110 dB suuritehoisissa malleissa. Tämä on saavutettavissa monille vahvistimen toteutuksille, mutta yksittäisiä melulähteitä on seurata vahvistimen suunnittelun aikana tyydyttävän yleisen SNR: n varmistamiseksi.

Vääristymismekanismit:Näitä ovat epälineaarisuudet modulaatiotekniikassa tai modulaattorin toteutuksessa-ja kuollut aika, jota käytetään lähtövaiheessa ampumavirran ongelman ratkaisemiseksi.

Tiedot äänisignaalitasosta on yleensä koodattu luokan D modulaattorin lähtöpulssien leveyteen. Kuolleen ajan lisääminen lähtövaiheen ampumavirtojen estämiseksi esittelee epälineaarisen ajoitusvirheen, joka aiheuttaa vääristymiä kaiuttimessa suhteessa ajoitusvirheeseen suhteessa ihanteelliseen pulssin leveyteen. Lyhyin kuollut aika, joka välttää ampumisen läpi, on usein parasta vääristymien minimoimiseksi; Katso lisälukemista 2 yksityiskohtainen suunnittelumenetelmä kytkentäsiirtojen vääristymisen suorituskyvyn optimoimiseksi.

Muita vääristymislähteitä ovat: lähtö- ja laskuaikojen epäsuhta lähtöpulssiissa, lähtötransistorin portti-ohjauspiirien ajoitusominaisuuksien epäsuhta ja epälineaarisuudet LC-alhaisen päästösuodattimen komponenteissa.

Power-SUPPLY-hylkääminen (PSR):Kuvion 2 piirissä tehonhinta-kohina parit melkein suoraan kaiuttimeen hyvin pienellä hylkäämisellä. Tämä tapahtuu, koska lähtövaiheet transistorit yhdistävät virtalähteet alipäästösuodattimeen erittäin alhaisen vastuskyvyn kautta. Suodatin hylkää korkeataajuisen melun, mutta se on suunniteltu läpäisemään kaikki äänitaajuudet, mukaan lukien melu. Katso lisäluku 3 hyvä kuvaus virransuojelun kohinan vaikutuksesta yksipäisissä ja differentiaalisessa kytkentäsiirtopiirissä.

Jos vääristymiä tai virranhoitokysymyksiä ei käsitellä, PSR: n saavuttaminen on vaikea saavuttaa paremmin kuin 1 0 DB tai kokonaisharmoninen vääristymä (THD) parempi kuin 0,1%. Vielä pahempaa, THD on yleensä pahoinpitelyä.

Onneksi näihin asioihin on hyviä ratkaisuja. Palautteen käyttäminen korkealla silmukkavahvistuksella (kuten monissa lineaarisissa vahvistinmallissa tehdään) auttaa paljon. Palaute LC-suodatintuloista parantaa huomattavasti PSR: ää ja heikentää kaikkia ei-LC-filterin vääristymismekanismeja. LC -suodattimen epälineaarisuudet voidaan heikentää sisällyttämällä puhuja palautteen silmukkaan. Audiofiililaatuinen äänenlaatu psr> 6 0 db ja THD <0,01% on saavutettavissa hyvin suunniteltuissa suljetun silmukan luokan D vahvistimissa.

Palaute vaikeuttaa vahvistimen suunnittelua, koska silmukan stabiilisuus on kuitenkin puututtava (ei-triviaalinen huomio korkean asteen suunnitteluun). Myös jatkuvan ajan analoginen palaute on välttämätöntä tärkeiden pulssien ajoitusvirheiden tärkeiden tietojen sieppaamiseksi, joten ohjaussilmukan on sisällettävä analogiset piirit palautesignaalin käsittelemiseksi. Integroiduissa piirin vahvistimen toteutuksissa tämä voi lisätä muotin kustannuksia.

IC -kustannusten minimoimiseksi jotkut myyjät mieluummin minimoimaan tai poistamaan analoginen piirisisältö. Jotkut tuotteet käyttävät digitaalista avoimen silmukan modulaattoria sekä analogia-digitaalista muunnin, joka tuntee tehonvalojen variaatiot-ja säätää modulaattorin käyttäytymistä kompensoimaan, kuten jatko-lukemisessa 3 ehdotetaan. Tämä voi parantaa PSR: ää, mutta ei puututa vääristymäongelmiin. Muut digitaaliset modulaattorit yrittävät ennakoida odotettavissa olevia lähtövaiheen ajoitusvirheitä tai korjata modulaattorin epäideaalisuudet. Tämä voi ainakin osittain käsitellä joitain vääristymämekanismeja, mutta ei kaikkia. Tällaiset avoimen silmukan luokan D vahvistimet voidaan hoitaa sovellukset, jotka suvaitsevat melko rentoja äänilaatuisia vaatimuksia, mutta jonkinlainen palaute näyttää olevan välttämätöntä parhaan äänenlaadun kannalta.

Modulaatiotekniikka

Luokan D modulaattorit voidaan toteuttaa monin tavoin, ja sitä tukee suuri määrä siihen liittyvää tutkimusta ja immateriaalioikeutta. Tämä artikkeli esittelee vain peruskäsitteet.

Kaikki luokan D modulaatiotekniikat koodaavat tietoja äänisignaalista pulssivirtaan. Yleensä pulssileveyson kytketty äänisignaalin amplitudiin, ja pulssien spektri sisältää halutun äänisignaalin plus ei-toivottua (mutta väistämätöntä) korkean taajuuden sisältöä. Kaikissa järjestelmissä integroitu korkean taajuusteho on suunnilleen sama, koska aika-alueen aaltomuotojen kokonaisteho on samanlainen, ja parsevalin lauseen avulla voiman alueen tehon on oltava yhtä suuri voima taajuusalueella. Energian jakauma vaihtelee kuitenkin suuresti: Joissakin järjestelmissä on suuria energiaääniä alhaisen melun lattian yläpuolella, kun taas toisissa järjestelmissä energia on muotoiltu siten, että äänet poistuvat, mutta melulattia on korkeampi.

Yleisin modulaatiotekniikka onpulssin leveysmodulaatio(PWM). Konseptuaalisesti PWM vertaa tulo -äänisignaalia kolmionmuotoiseen tai ramppiaaltomuotoon, joka toimii kiinteässäkantajataajuus. Tämä luo pulssivirran kantajataajuudella. Kuljettajan jokaisella jaksolla PWM -pulssin päivystys on verrannollinen äänisignaalin amplitudiin. Kuvion 7 esimerkissä audiotulo ja kolmion muotoinen aalto ovat molemmat keskittyneet 0 V: n ympärille, niin että 0 -syöttöön tulospulssien tullisuhde on 5 0%. Suurelle positiiviselle tulolle se on lähellä 100%, ja se on lähellä 0% suurelle negatiiviselle tulolle. Jos äänen amplitudi ylittää kolmio -aallon,täydellinen modulaatiotapahtuu, missä pulssijuna lakkaa vaihtamisen ja tullisuhde yksittäisissä ajanjaksoissa on joko 0% tai 100%.

Kuva 7. PWM -käsite ja esimerkki.

PWM on houkutteleva, koska se sallii 100- db tai paremman äänikaistaisen SNR: n muutaman sadan kilohertsin PWM-kantajataajuuksilla, jotka ovat riittävän vähäisiä, jotta kytkentähäviöt rajoitetaan lähtövaiheessa. Lisäksi monet PWM-modulaattorit ovat vakaita lähes 100%: n modulaatioon saakka, mikä mahdollistaa korkean lähtövoiman ylikuormituspisteeseen. PWM: llä on kuitenkin useita ongelmia: ensinnäkin PWM -prosessi lisää luonnostaan ​​vääristymiä monissa toteutuksissa (lisälukema 4); Seuraavaksi PWM -kantoaaltotaajuuden harmoniset tuottavat EMI: n AM -radiokaistalla; Ja lopuksi, PWM -pulssin leveydet muuttuvat hyvin pieniksi lähellä täydellistä modulaatiota. Tämä aiheuttaa ongelmia useimmissa kytkentäsiirtovaiheessa portin kuljettajapiireissä rajoitetun käyttökykynsä kanssa, ne eivät voi vaihtaa kunnolla liiallisilla nopeuksilla, joita tarvitaan lyhyiden pulssien toistamiseen muutaman nanosekunnin leveydellä. Tämän seurauksena täydellistä modulaatiota ei usein saavuteta PWM-pohjaisissa vahvistimissa, mikä rajoittaa maksimaalista saavutettavissa olevaa lähtötehoa jotain vähemmän kuin teoreettinen maksimiarvo, joka pitää vain voimansiirtojännitettä, transistoria-llaResistanssi ja kaiutinimpedanssi.

Vaihtoehto PWM: lle onpulssitiheysmodulaatio(PDM), jossa pulssien lukumäärä tietyssä aikaikkunassa on verrannollinen syöttöäänisignaalin keskiarvoon. Yksittäiset pulssileveydet eivät voi olla mielivaltaisia ​​kuten PWM: ssä, vaan "kvantisoitu" modulaattorin kellojakson kertoimiin. 1- bitti sigma-delta-modulaatio on PDM: n muoto.

Suuri osa sigma-deltassa sijaitsevasta korkeataajuisesta energiasta jakautuu laajalle taajuuksien alueelle, jotka eivät ole keskittyneet sävyihin kantoaaltotaajuuden moninkertaisesti, kuten PWM: n tarjoavassa sigma-delta-modulaatiossa, jolla on potentiaalinen EMI-etu PWM: iin nähden. Energiaa on edelleen PDM -näytteenottokellotaajuuden kuvissa; Mutta tyypillisillä kellotaajuuksilla 3 MHz: stä-6 MHz, kuvat ovat äänitaajuuskaistan ulkopuolella-LC-alhaisen pääsyn suodatin vaimentaa voimakkaasti.

Toinen Sigma-Delta-etuna on, että pulssin vähimmäisleveys on yksi näytteenottokellojakso, jopa signaaliolosuhteille, jotka lähestyvät täydellistä modulaatiota. Tämä helpottaa portin kuljettajan suunnittelua ja sallii turvallisen toiminnan teoreettiseen täyteen tehon. Siitä huolimatta 1- bitti sigma-delta-modulaatiota ei käytetä usein luokan D vahvistimissa (lisälukema 4), koska tavanomaisia ​​1- bittimodulaattoreita on vakaa vain 50%: n modulaatioon. Lisäksi tarvitaan vähintään 64 × ylimerkkinäytöksiä, jotta SNR on riittävästi, joten tyypilliset lähtötiedonopeudet ovat vähintään 1 MHz ja tehotehokkuus on rajoitettu.

Äskettäin,itseoskistaVahvistimia on kehitetty, kuten lisälukemassa 5. Tämän tyyppinen vahvistin sisältää aina palautteen silmukan, jossa silmukan ominaisuudet määrittävät modulaattorin kytkentätaajuuden ulkoisesti toimitetun kellon sijasta. Korkean taajuusenergiaa jakautuu usein tasaisemmin kuin PWM: ssä. Erinomainen äänenlaatu on mahdollista palautteen ansiosta, mutta silmukka on itsisctieng, joten on vaikea synkronoida muiden kytkentäpiirien kanssa tai muodostaa yhteyden digitaalisiin äänilähteisiin muuttamatta digitaalista ensin analogiseksi.

Koko siltapiiri (kuva 3) voi käyttää "3- tilaa" -modulaatiota erilaisten EMI: n vähentämiseksi. Tavanomaisella differentiaalioperaatiolla puolisiltaan A lähtöpolaarisuus on oltava vastapäätä kuin puoli-sillan B. ja matala B: n korkealla. Kaksi ylimääräistä yhteisen tilan tilaa on kuitenkin olemassa, joissa molemmat puolilähteen lähtö on sama napaisuus (sekä korkeat tai molemmat matala). Yksi näistäyhteinen tilaTiloja voidaan käyttää yhdessä differentiaalitilojen kanssa tuottaakseen {{0}} Tilan modulaatio, jossa LC -suodattimen differentiaalitulo voi olla positiivinen, 0 tai negatiivinen. 0 -tilaa voidaan käyttää alhaisen tehotason edustamiseen sen sijaan, että vaihtaisi positiivisen ja negatiivisen tilan välillä kuten 2- -tilassa. Hyvin vähän differentiaalista aktiivisuutta tapahtuu LC-suodattimessa 0-tilan aikana, mikä vähentää EMI: n differentiaalista EMI: tä, vaikka tosiasiallisesti lisää yhteisen tilan EMI: tä. Eroetu on vain alhaisella teholla, koska positiivisia ja negatiivisia tiloja on silti käytettävä merkittävän voiman toimittamiseen puhujalle. 3- tilan modulaatiojärjestelmien vaihteleva yhteisen moodin jännitteen taso esittelee suljetun silmukan vahvistimien suunnitteluhaasteen.

EMI: tä

Luokan D vahvistimen korkeataajuiset komponentit ovat ansioita vakavasti. Jos nämä komponentit eivät ole ymmärrettäviä ja hallinnassa, ne voivat tuottaa suuria määriä EMI: tä ja häiritä muiden laitteiden toimintaa.

Kahden tyyppiset EMI ovat huolestuttavia: signaalit, jotka säteilee avaruuteen, ja ne, jotka suoritetaan kaiutin- ja virranhoitojohtojen kautta. Luokan D modulaatiojärjestelmä määrittää alähtökohtaSuoritetun ja säteilyn EMI: n komponenttien spektri. Joitakin levyn tason suunnittelutekniikoita voidaan kuitenkin käyttää vähentämään luokan D vahvistimen lähettämiä EMI: tä sen lähtöspektristä huolimatta.

Hyödyllinen periaate on minimoida korkean taajuuden virtauksia kuljettavien silmukoiden pinta-ala, koska siihen liittyvän EMI: n lujuus liittyy silmukka-alueelle ja silmukoiden läheisyyteen muihin piireihin. Esimerkiksi koko LC -suodatin (mukaan lukien kaiutinjohdot) tulisi asettaa mahdollisimman kompakti ja pidettävä lähellä vahvistinta. Jäljet ​​nykyisestä käyttö- ja paluupolkuista tulisi pitää yhdessä silmukan alueiden minimoimiseksi (kaiutinjohtojen kierretyillä pareilla on hyödyllistä). Toinen keskittymispaikka on suuriin varauksen transienteihin, jotka vaihtavat lähtövaiheiden transistorien portin kapasitanssi. Yleensä tämä maksu tulee asäiliökapasitanssi, joka muodostaa nykyisen silmukan, joka sisältää molemmat kapasitanssit. Transienttien EMI -vaikutus tässä silmukassa voidaan vähentää minimoimalla silmukka -alue, mikä tarkoittaa säiliön kapasitanssin asettamista mahdollisimman tarkasti sen veloittamaan transistoriin (t).

Toisinaan on hyödyllistä lisätä RF -tukehtua sarjaan vahvistimen virtalähteiden kanssa. Oikein sijoitettuna ne voivat rajoittaa korkeataajuisia ohimeneviä virtauksia paikallisiin silmukoihin lähellä vahvistinta sen sijaan, että ne suoritettaisiin pitkiä etäisyyksiä virtalähdejohdoista.

Jos portti-ajatuskäyttöinen aika on erittäin pitkä, kaiutin- tai LC-suodattimen induktiiviset virrat voivat eteenpäin-bias-loisten diodit lähtövaiheiden transistorien päätteissä. Kun ei -päättyminen päättyy, diodin esijännite muuttuu eteenpäin käänteiseen. Suuret käänteisen palautusvirran piikit voivat virrata ennen kuin diodi kokonaan sammuu, luomalla hankala EMI-lähde. Tämä ongelma voidaan minimoida pitämällä päällekkäinen aika hyvin lyhyt (suositellaan myös äänen vääristymisen minimoimiseksi). Jos käänteisen palautumiskäyttäytymistä ei vielä voida hyväksyä, Schottky-diodit voidaan rinnastua transistorin loisten diodien kanssa virtausten ohjaamiseksi ja loisten diodin estämiseksi koskaan kytkemästä päälle. Tämä auttaa, koska Schottky-diodien metalli-puolijohde-risteykset ovat luontaisesti immuuneja käänteisiin palautumisvaikutuksiin.

LC -suodattimet, joissa on toroidinen induktori -ytimet, voivat minimoida vahvistimen virtauksista johtuvat kulkukenttäviivat. Säteily halvemmastarumpuYtimiä voidaan vähentää suojaamalla, hyvä kompromissi kustannusten ja EMI: n suorituskyvyn ja jos huolehditaan varmistaakseen, että suojaus ei ole kohtuuttomasti heikentänyt induktorin lineaarisuutta ja äänenlaatua kaiuttimessa.

LC -suodatinsuunnittelu

Kustannusten ja lautatilan säästämiseksi suurin osa luokan D vahvistimien LC-suodattimista on toisen asteen alhaisen passin malleja. Kuvio 3 kuvaa toisen asteen LC-suodattimen differentiaaliversiota. Kaiutin auttaa vähentämään piirin luontaista resonanssia. Vaikka kaiutinimpedanssi on joskus likimääräinen yksinkertaisena vastuskohtana, todellinen impedanssi on monimutkaisempi ja voi sisältää merkittäviä reaktiivisia komponentteja. Suodattimen suunnittelussa parhaat tulokset tulisi aina pyrkiä käyttämään tarkkaa kaiutinmallia.

Yleinen suodattimen suunnitteluvalinta on pyrkimys alhaisimpaan kaistanleveyteen, jollekyydyttääSuodatinvasteessa korkeimmalla kiinnostuksen kohteena olevalla äänitaajuudella minimoidaan. Tyypillisessä suodattimessa on 40- KHz Butterworth -vaste (maksimaalisesti tasaisen passinauhan saavuttamiseksi), jos alle 1 dB: n kaato on haluttu taajuuksille, jotka ovat enintään 20 kHz. Taulukon nimelliskomponentti -arvot antavat likimääräisen Butterworth -vasteen tavallisille kaiutinimpedansseille ja vakio- ja C -arvoille:

Jos malli ei sisällä kaiuttimen palautetta, kaiutin THD on herkkä LC -suodatinkomponenttien lineaarisuudelle.

Induktorin suunnittelutekijät:Tärkeitä tekijöitä induktorin suunnittelussa tai valinnassa ovat ytimen nykyinen luokitus ja muoto sekä käämityskestävyys.

Nykyinen luokitus: Valittujen ytimen tulisi olla nykyinen luokitus korkeimman odotetun vahvistimen virran yläpuolella. Syynä on, että monet induktorisydämet kyllästyvät magneettisesti, jos virta ylittää virran luokituskynnyksen ja vuontiheys muuttuu liian korkealle induktanssin dramaattiselle vähentymiselle.

Induktanssi muodostetaan käärimällä johdin ytimen ympärille. Jos käännöksiä on monia, johtimen kokonaispituuteen liittyvä vastus on merkittävä. Koska tämä vastus on sarjassa puoliltaan ja kaiuttimen välillä, osa lähtötehosta häviää siinä. Jos vastus on liian korkea, käytä paksumpaa lankaa tai vaihda ydin toiseen materiaaliin, joka vaatii vähemmän langan käännöksiä halutun induktanssin antamiseksi.

Lopuksi ei pidä unohtaa, että käytetyn induktorin muoto voi vaikuttaa EMI: hen, kuten edellä todettiin.

Järjestelmäkustannukset

Mitkä ovat tärkeät tekijät äänijärjestelmän kokonaiskustannuksissa, jotka käyttävät luokan D vahvistimia? Kuinka voimme minimoida kustannukset?

SeaktiivinenLuokan D vahvistimen komponentit ovat kytkentä lähtövaihe ja modulaattori. Tämä piiri voidaan rakentaa suunnilleen samoille kustannuksille kuin analoginen lineaarinen vahvistin. Todelliset kompromissit tapahtuvat, kun tarkastellaan järjestelmän muita komponentteja.

Luokan D alempi hajoaminen säästää jäähdytyslaitteiden kustannuksia (ja tilaa), kuten jäähdytyselementit tai puhaltimet. Luokan D integroitu piirin vahvistin voi pystyä käyttämään pienempää ja halvempaa pakkausta kuin lineaariselle. Kun ajetaan digitaalisesta äänilähteestä, analogiset lineaariset vahvistimet vaativat d\/A -muuntimia (DAC) äänen muuntamiseksi analogiseksi muotoksi. Tämä pätee myös analogisen tulostusluokan D vahvistimiin, mutta digitaaliset syöttötyypit integroivat DAC-toiminnon tehokkaasti.

Toisaalta luokan D pääasiallinen kustannushäiriö on LC -suodatin. Komponentit-etenkin induktorit-accupy-levyn tila ja lisäävät kustannuksia. Suuritehoisissa vahvistimissa järjestelmän kokonaiskustannukset ovat edelleen kilpailukykyisiä, koska LC-suodatinkustannukset korvaavat suuret säästöt jäähdytyslaitteissa. Mutta kustannusherkissä, pienitehoisissa sovelluksissa induktorikulut muuttuvat raskaina. Ääritapauksissa, kuten matkapuhelimien halvat vahvistimet, vahvistin IC voi olla halvempi kuin LC -suodattimen kokonaiskustannukset. Lisäksi, vaikka rahalliset kustannukset jätetään huomiotta, LC-suodattimen käyttämä hallitustila voi olla ongelma pienissä muotokerroissa.

Näiden huolenaiheiden ratkaisemiseksi LC -suodatin eliminoidaan joskus kokonaan, luodasuodatinvahvistin. Tämä säästää kustannuksia ja tilaa, vaikka menetetään alhaisen pääsyn suodatuksen hyöty. Ilman suodatinta, EMI- ja korkeataajuisen tehon hajoaminen voi kasvaa epätasaisesti-jos puhuja on induktiivinen ja pidetään hyvin lähellä vahvistinta, nykyisen silmukan alueet ovat minimaalisia ja tehotasot ovat alhaiset. Vaikka se on usein mahdollista kannettavissa sovelluksissa, kuten matkapuhelimissa, se ei ole mahdollista korkeamman tehon järjestelmien, kuten Home Stereo,.

Toinen lähestymistapa on minimoida LC -suodatinkomponenttien lukumäärä äänikanavaa kohti. Tämä voidaan suorittaa käyttämällä yksipäisiä puoli-silta-lähtövaiheita, jotka vaativat puolet LS: n ja CS: n lukumäärästä, jota tarvitaan erilaiseen, täysisiltaan piiriin. Mutta jos puolisilmalla vaatii bipolaarisia virtalähteitä, negatiivisen tarjonnan tuottamiseen liittyvät kustannukset voivat olla kielteisiä, ellei jollekin muulle tarkoitukselle ole jo olemassa olevaa negatiivista tarjontaa-tai vahvistimella on tarpeeksi äänikanavia, negatiivisen tarjonnan kustannusten poistamiseksi. Vaihtoehtoisesti puoliltaan voitaisiin virtaa yhdestä syötteestä, mutta tämä vähentää lähtötehoa ja vaatii usein suuren DC-estokondensaattorin.

Analogiset laitteet luokan D vahvistimet

Kaikki juuri käsiteltyjä suunnitteluhaasteita voivat lisätä melko vaativan projektin. Suunnittelijan säästämiseksi analogiset laitteet tarjoavat erilaisia ​​luokan D vahvistimen integroituja piirejä, jotka sisältävät ohjelmoitavien ansioiden vahvistimia, modulaattoreita ja tehonlähtövaiheita. Arvioinnin yksinkertaistamiseksi jokaiselle vahvistintyypille on saatavana esittelytauluja arvioinnin yksinkertaistamiseksi. Kunkin näiden lautakuntien piirilevyasettelut ja materiaalit toimivat toimivana referenssisuunnitteluna, auttaen asiakkaita suunnittelemaan nopeasti toimivia, kustannustehokkaita äänijärjestelmiä joutumatta "keksimään pyörää" suurten luokan D vahvistimen suunnittelun haasteiden ratkaisemiseksi.

Tarkastellaan esimerkiksi AD1990, AD1992 ja AD 1994- kaksois-amplifier-IC: n perhettä, kohdistettu maltillisiin stereo- tai mono-sovelluksiin, jotka vaativat kahta kanavaa, joissa on 5- 10- tuloste-kanava, ja {9}} w, vastaavasti. Tässä on joitain näiden IC: ien ominaisuuksia:

AD1994-luokan D Audio Power -vahvistimessa yhdistyvät kaksi ohjelmoitavaa annettavaa vahvistinta, kaksi sigma-delta-modulaattoria ja kaksi voimanlähtövaihetta, jotta voidaan ajaa täydellisiä H-Brill-sidottuja kuormia kotiteatterissa-, Automotive- ja PC-äänisovelluksissa. Se tuottaa kytkentä -aaltomuodot, jotka voivat ajaa stereokaiuttimia jopa 25 W: llä kaiuttimella tai yhden kaiuttimen 50 W: n monofoniseen, 90%: n tehokkuudella. Sen yksipäisiä tuloja sovelletaan ohjelmoitavissa olevaan vahvistimeen (PGA), jonka voitto on asetettu 0-, 6-, 12- ja 18 dB, matalan tason signaalien käsittelemiseksi.

The device has integrated protection against output-stage hazards of overheating, overcurrent, and shoot-through current. There are minimal clicks and pops associated with muting, thanks to special timing control, soft start, and dc offset calibration. Specifications include 0.001% THD, 105-dB dynamic range, and >60 dB PSR, käyttämällä jatkuvan ajan analogista palautetta kytkentälähtövaiheesta ja optimoidusta lähtövaiheesta. Sen 1- bitti sigma-delta-modulaattori on erityisen parantunut luokan D sovellukselle keskimääräisen datataajuuden saavuttamiseksi 500 kHz, ja korkean silmukan voitto on 90% modulaatio ja stabiilisuus täydelliseen modulaatioon. EräsitsenäinenModulaattoritilan avulla se voi ajaa ulkoisia FET -arvoja suuremman lähtötehon saavuttamiseksi.

Se käyttää {{0}} V Syöttö PGA: lle, modulaattorille ja digitaaliselle logiikalle sekä korkeajännitteen syöttölle 8 V: stä 20 V: stä kytkimen lähtövaiheeseen. Liittyvä viitesuunnittelu täyttää FCC -luokan B EMI -vaatimukset. Kun ajat 6 ohmia, latautuu 5- V: llä ja 12- V -tarvikkeilla, AD1994 hajottaa 487 mW: n leviävästi, 710 mW 2 × 1- W -lähtötasolla ja 0,27 mW: lla in in in 2 × {{virtatila. Saatavana 64- lyijy LFCSP -paketissa, se on määritetty –40 asteeseen +85 asteeseen

Lisää teknisiä tietoja luokan D vahvistimista-mukaan lukien Blackfin-prosessorien kanssa, voi löytää lisälukemaosasta.