Појачало Д класе. Аудио појачало за аутомобиле

Технологија појачавања звучних сигнала се развија већ 15-20 година. Има прилично одређене предности у односу на ону која је имплементирана у широко распрострањеним аудио или појачавачима класе А или АБ. Под тим подразумевамо појачало Д класе. Његова предност је првенствено због високе ефикасности.

Цар Амплифиер Цлассес

Цар аудио појачало које ради у класи А састоји се од транзисторских фаза које се укључују (проводе) и током цијелог трајања улазног аудио сигнала иу његовом одсуству. Има низак ниво изобличења појачаног аудио излазног сигнала, будући да његови транзистори раде на линеарним секцијама својих карактеристика и потпуно преносе улазне сигнале на излаз кола, али истовремено има веома ниску ефикасност. Ови уређаји су обично дизајнирани за високо квалитетне аудио апликације за које проблеми губитка снаге нису пресудни. Трансистори појачала класе Б изводе само негативне или позитивне полувалове улазног сигнала. Штавише, присуство мртвих зона у близини нуле доводи до високог степена изобличења. Међутим, овај ефекат пружа много боље карактеристике него у уређајима типа А. Појачало класе АБ комбинује карактеристике оба претходна са циљем добијања боље ефикасности него у класи А, али мање изобличења него код типа Б. Иако су ови уређаји добро прилагођени уређајима мале снаге, или, у најбољем случају, просјечне снаге, тренд посљедњих година је ослобађање све снажнијих појачала. Једном је 30 вата било довољно довољно да задовољи већину потрошача. Сада је то једва довољно за стварање висококвалитетног стерео аудио појачала за аутомобиле. Као резултат тога, креиране су њихове нове класе, укључујући и класу Д, да би се носиле са овом великом потрошњом енергије.

Које су предности уређаја Д класе?

Њихова архитектура је потпуно различита од појачала осталих класа горе наведених и слична је пулсирајућој извори енергије (УПС). Појачало Д-класе се такође заснива на употреби високофреквентне модулације ширине импулса (ПВМ или ПВМ) за креирање излазног сигнала. Његови транзистори су или потпуно укључени (пад напона на њима је веома мали), или потпуно искључен (струја кроз њих је близу нуле). У оба случаја, снага електричних губитака (производ струје и пада напона) је веома мала, и они, по правилу, губе много мање енергије у облику топлоте. Дакле, ова архитектура је добро имплементирана на бази веома малих и економичних МОС транзистора. Појачало Д-класе може постићи веома висок ниво енергетске ефикасности, што доводи до значајне уштеде енергије извора напајања. Међутим, конверзија улазног аудио сигнала у ПВМ сигнал, праћена његовом квантизацијом, сама по себи може изазвати више изобличења на излазу него код појачала различите архитектуре. Сврха израде уређаја ове класе била је да се смањи дисторзија на ниским нивоима уз одржавање високе енергетске ефикасности.

Поређење ефикасности појачала различитих класа

На доњој слици приказана је типична зависност ефикасности од излазне снаге за уређаје класе Д и АБ. Теоретска максимална ефикасност у класи Д достиже 100%, а преко 90% је оствариво у пракси. Обратите пажњу да она достигне 90% већ при умјереној излазној снази, док је максимална ефикасност у АБ класи на 78% добивена само при пуној снази. У практичном повећању музичких сигнала, ефикасност је мања од 50%. Појачало звука класе Д са високом ефикасношћу троши мање енергије за дату излазну снагу, али што је још важније, захтеви за хладњак се драстично смањују. Свако ко је изградио или видео моћно аудио појачало вероватно зна да су велики алуминијумски радијатори неопходни за одржавање релативно ниске температуре електронике.

Лоад он трансформатор снаге такође се смањује за значајну количину, омогућавајући употребу његове мање величине за исту излазну снагу. Могу ли да направим појачало класе Д својим рукама?

На доњој слици је приказан такав уређај од 400 вати. Квалификовани радио аматер неће видети ништа у овом дизајну који би га натерао да напусти свој рукопис.

Подручје примарне употребе

Ако се бавите детаљима ове технологије, приметићете да би добро (ниско изобличено, пун опсег) појачало снаге Д-класе требало да ради на прилично високим фреквенцијама, у опсегу од 100 кХз до 1 МХз, користећи сигналне уређаје велике брзине и одговарајуће изворе напајања. . У почетку, то је довело до коришћења ове класе где није потребан пун пропусни опсег и дозвољен је виши ниво изобличења, односно субвоофера и уређаја за индустријску употребу.

Међутим, временом се све променило, и захваљујући данашњим транзисторским прекидачима велике брзине, коришћење напредне технологије повратне спреге, уређаји класе Д могу се развити за све врсте апликација, укључујући аудио појачало у аутомобилу. Одликују се високим нивоом снаге, малим димензијама и малим изобличењем, упоредивим са добром класом АБ конструкције.

Појачало класе Д: структурни дијаграм

Може се имплементирати у аналогном или дигиталном облику. Аналогна верзија се обично састоји од компаратора, троугластог генератора сигнала и неколико блокова за претварање улазног сигнала пре него што се примени на излазне МОСФЕТ транзисторе. Схема таквог аудио појачала је приказана на слици испод. Аудио сигнал се прво претвара у пулсно модулирану ширину (скраћено ПВМ). Попут сигнала у круговима дигиталних уређаја који прихватају само два нивоа - логички 1 и 0, он има само два нивоа - висок и низак. Међутим, променљиви ниво улазног аудио сигнала је садржан у његовом параметру, као што је трајање импулса. Што је већи улазни сигнал, то је краћи пулс. Наравно, таква замена аналогног сигнала, способна да узме бесконачан број вредности у било ком интервалу ширине импулса ПВМ сигнала, само једна вредност тог трајања доводи до губитка информација. Али што је већа фреквенција понављања пулса, точније се репродукује звук. Како га тачно појачава класа Д? Круг садржи излазни ступањ транзистори са ефектом поља приказан је засебно на слици испод. Они појачавају улазне импулсе без увођења готово било каквог изобличења у њихов облик. Појачани ПВМ сигнал, који пролази даље кроз излазни нископропусни филтер, поново се претвара у аналогни облик, који представља појачани улазни сигнал.

Још једном о снази која се расипа од излазних транзистора

Једноставно аудио појачало (класа А или АБ) има најмање један излазни уређај (у облику биполарног или пољског транзистора), који проводи струју у било које вријеме. Струја сам тече кроз њу пролази кроз колектор-емитер чвор (или одвод-извор), гдје постоји неки пад напона У. Чак и ако нема излазни сигнал, мала количина струје мора тећи кроз транзистор. Пошто вредност П = У * И одређује дисипирану снагу, долази до одређеног термичког распршења. Како се излазни напон повећава, ниво напуњености транзистора ће опасти, али ће се струја повећати. Приликом засићења (цут-офф) напон између колектора и емитера (одводни извор) ће бити низак, али ће струја постати прилично висока. Насупрот томе, са ниским нивоом излазне снаге, струја је мала, али велики пад напона. То доводи до криве расипања снаге која нелинеарно зависи од излазне снаге. Постоји минимална дисипација топлоте која није нула (минимална ефикасност) и тачка у којој се постиже ефикасност од око 78% у уређају чисте класе АБ, и 25% или мање у класи А.

Једноставно аудио-појачало класе Д, с друге стране, свој рад заснива на пребацивању излазног транзистора између два стања, наиме "Он" и "Офф". Прије него што расправимо специфичне детаље кругова, можемо рећи да одређена количина струје тече кроз уређај у стање "Укључено", док је теоретски при транзицији одводног извора напон који долази из извора напајања практично не пада (да, скоро сваки уређај Д користи МОС транзисторе), дакле, дисипирана снага је теоретски нула. У искљученом стању, пад напона ће бити једнак пуном напону напајања, тако да је транзистор као дио отвореног круга кроз који струја не тече (што је врло близу стварности).

Шта је ПВМ сигнал?

Излазни транзистори појачала Д класе могу на излазу појачала створити само два напонска нивоа која одговарају два горе наведена стања. У овом случају, синусоид не може бити представљен са ова два могућа нивоа. У ствари, аудио сигнал модулира трајање излазних правоугаоних импулса, који трају од једног стања транзистора до другог, тако да се информације о њему још увек чувају. Сада морамо да разумемо како се врши ова модулација и како да опоравимо појачани звучни сигнал из импулса. Најчешћи метод који се користи у уређајима класе Д је ПВМ квадратног таласа. Иако је брзина понављања последње фиксирана, њихово трајање варира у зависности од улазног аудио сигнала. Дакле, када се улазни сигнал повећа, трајање пулса се повећава, а паузе између њих се смањују, и обрнуто.

Круг генерисања ПВМ сигнала

Обично се генерише упоређивањем улазног сигнала са троугластим пулсним влаком. Оба сигнала се уносе на улаз компаратора, као што је приказано на слици испод. Триангуларни импулси одређују амплитуду улазног аудио сигнала за пуну модулацију и фреквенцију пребацивања излазних транзистора. Излаз "дигиталног" компаратора користи стандардне логичке нивое, при чему 0 В одговара логичкој нули, а 5 В логичком. Због ове квази-дигитализације ПВМ сигнала, појачала која га користе понекад се погрешно називају дигиталним појачалима. Заправо, читав процес је више аналоган него дигитални. Највероватније се ПВМ сигнал може приписати дискретним сигналима, а брзина понављања импулса је фреквенција узорковања оригиналног аналогног сигнала.

Како се генерише ПВМ сигнал

Слика испод илуструје како се аудио сигнал претвара у ПВМ облик помоћу компаратора који пореди аудио сигнал који се састоји од синусоидалног хармонијског таласа релативно ниске фреквенције са троугластим сигналом много веће фреквенције. Висок ниво се формира на излазу компаратора ако је тренутни напон троугластог таласа мањи од звучног сигнала, или низак ако је виши. Логика ове трансформације може бити инверзна. Тада се формира висок ниво ако трокутасти сигнал прелази синусни сигнал, а низак - у супротном случају, као што је приказано на слици испод.

У сваком случају, излаз компаратора се састоји од низа импулса чија ширина варира у зависности од тренутног нивоа улазног сигнала. Просечан ниво ПВМ сигнала има исти облик као и оригинални аудио сигнал.

Како повратити аудио сигнал из ПВМ сигнала

Да би се добила тачна копија улазног аналогног напона из дискретног ПВМ сигнала, његова фреквенција узорковања мора бити много већа од максималне фреквенције у свом спектру. Према Никвистовој теореми (руска теорија телекомуникација користи свој аналог, Котелников теорема), тај вишак мора бити најмање двоструко, међутим, висококвалитетни појачавачи са ниским нивоом изобличења користе велики однос (обично од 5 до 50).

ПВМ сигнал, појачан фазом излазног транзистора, садржи нискофреквентне компоненте које у потпуности репродукују спектар улазног аудио сигнала. Али она такође садржи компоненте са фреквенцијом узорковања (и њеним хармоницима) које треба уклонити да би се вратио оригинални модулациони звучни сигнал. За постизање овог циља потребан је снажан нископропусни филтер. Обично се користи пасивни ЛЦ филтер, јер у њему готово нема губитака и има мало или готово никакву дисперзију. Иако би увијек требало бити губитака, у пракси су они минимални.

Дигитална имплементација

Дигитално појачало Д класе састоји се од јединица за дигиталну обраду података и преноса имплементираних на микроконтролеру и јединици за генерисање ПВМ сигнала. Може се имплементирати као екстерни, самостални уређај за већ готов аудио систем. Међутим, то доводи до додатних трошкова (потребно је купити и лемљење чипова) и потенцијалног повећања трошкова дебаговања сучеља између улазног извора аудио сигнала и појачала.

Појачало звука на микроконтролерском чипу карактерише следеће:

• фреквенција ПВМ сигнала (узорковање) мора бити најмање 10 пута већа од максималне фреквенције улазног сигнала тако да се може адекватно реконструисати на излазу појачала;

• висока резолуција процеса контроле ширине ПВМ импулса како би се спријечило изобличење квантизације излазног сигнала;

• постојање методе узорковања улазног аналогног сигнала;

• језгра велике брзине за дигиталну обраду и управљање подацима;

• интерфејс за пренос ПВМ сигнала на спољне МОСФЕТ транзисторе.

Пример уређаја који може да задовољи све ове захтеве је 32-битни микроконтролер типа СиМ3У1кк са великом брзином периферних уређаја производно-производна компанија Силицон Лабс (Аустин, Текас, УСА). Ови микроконтролери су јединствено погодни за нетрадиционалне апликације као што су класа Д појачала снаге која се директно повезују са звучницима. Једине спољне компоненте потребне за аудио појачало на СиМ3У1кк су пригушница и неколико кондензатора. У / И уређаји такође имају програмабилно ограничење струје, дозвољава вам да користите до 16 нивоа јачине звука без потребе за фирмваре-ом за скалирање аудио података, уз уштеду времена и меморије. Пошто се напајају засебним напоном од остатка уређаја, они се могу повезати на екстерне МОС транзисторе велике снаге.

СиМ3У1кк уређаји укључују и УСБ аудио примопредајник компатибилан са УСБ аудио интерфејсом, уграђеном 256 КБ фласх меморијом, два 12-битна аналогно-дигитална претварача који дигитализују стреаминг звука са рачунара или преносног музичког плејера. На слици је приказан блок дијаграм уређаја. Може се користити као појачало у аутомобилу.