Как работают цифровые усилители? Обзор классов D, T, UcD, PurePath™ HDС

Информация для начинающих УНЧ-строителей и не только:
принцип работы, схемотехника, модификации и сравнительные характеристики
различных типов импульсных (ключевых) усилителей.

Несмотря на расхожее мнение о том, что усилители класса D были разработаны относительно недавно и являются продуктом современных цифровых технологий, данный класс имеет богатую историю, а его первые реализации были описаны ещё в эпоху радиоламп. Использовать ключевую схемотехнику для усиления звука впервые предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев в 1951 году, а в 1955 году француз Роже Шарбонье, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В основе принципа работы усилителей класса D и любых его модификаций (классы T, J, Z, TD и т. д.) используется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ). А в основе схемотехники, как правило, лежит генератор линейно-изменяющегося треугольного напряжения (ГЛИН с частотой, исчисляемой сотнями килогерц) и быстродействующий компаратор, преобразующий это треугольное напряжение в импульсы, длительность которых пропорциональна амплитуде входящего звукового аналогового сигнала (Рис.1).

Функциональная схема усилителя класса D
Рис.1 Функциональная схема усилителя класса D с внешним ГЛИН треугольного напряжения

Механизм преобразования аналогового звукового сигнала в импульсное напряжение с изменяемой скважностью приведён на Рис.2.

Функциональная схема усилителя класса D
Рис.2 Механизм формирования ШИМ сигнала в цифровом усилителе

Далее ШИМ сигнал, имеющий форму импульсов равной амплитуды, но разной длительности, усиливается с помощью пары симметрично включённых быстродействующих MOSFET транзисторов, после чего поступает на простейший LC-фильтр, который демодулирует усиленный сигнал, отсекая несущую частоту и сопутствующий высокочастотный шум.
Поскольку выходные транзисторы работают в импульсном режиме, т. е. выступают в роли ключей, находясь либо в закрытом, либо в открытом состоянии, КПД цифровых усилителей при практической реализации достигает значений порядка 90–95%. А это означает, что лишь единицы процентов энергии расходуются на нагрев полупроводников, поэтому радиаторы для них можно использовать крайне малого размера.

В настоящее время промышленно выпускается довольно большое количество специализированных и недорогих ИМС, предназначенных для работы в качестве усилителей класса D. Одна только компания "Texas Instruments" производит линейку цифровых усилителей (номенклатурой - около 50-ти наименований) с широкими диапазонами питающих напряжений: 2,5...50 В и мощностей - 3...300 Вт. Поэтому интерес отдельной радиолюбительской братвы к построению цифровых усилителей на ШИМ-контроллерах, предназначенных для блоков питания (типа TL494 или подобных), мы здесь ни приветствовать, ни обсуждать не станем ввиду их весьма скромных качественных характеристик.

Отдельным подклассом усилителей звуковой частоты класса D являются устройства, не содержащие генератора треугольного напряжения, а работающие в режиме самовозбуждения или, иначе говоря - самоосцилляции (Self-Oscillating Amplifier). Самоосцилляция возникает вследствие введения положительной обратной связи. Частота импульсов обычно выбирается из диапазона 300...700 кГц, а длительность варьируется в соответствии с уровнем входного звукового сигнала.
Однако и в данном типе усилителей также возможны варианты:

1. Усилители класса D с самовозбуждением, разработанные компанией Philips Electronics по UcD-технологии (Universal Class D) в 2005 году (Рис.3).

Структурная схема UcD-усилителя
Рис.3 Структурная схема UcD-усилителя

Как видно из схемы, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью, поступающей с выхода ключевого усилителя через выходной фильтр (L1, C3) и цепь обратной связи (R1…R3, C1) на вход компаратора. Параметры фильтра и цепи обратной определяют частоту на которой фазовый сдвиг составляет 180 градусов, в результате чего и возникает автоколебательный процесс.
Коэффициент усиления усилителя определяется отношением R3/R1. Величины сопротивления резистора R2 и ёмкости конденсатора C2 выбираются таким образом, чтобы частота колебаний была в диапазоне 300…350 кГц.

В описании демонстрационной версии UcD усилителя Philips UM10155 содержатся: принципиальные схемы и печатные платы изделия. При выходной мощности 200 Вт усилитель обеспечивает КПД - не менее 92% и коэффициент гармоник - не более 0.03%.
Ознакомиться с описанием можно по ссылке - Philips UM10155.

Теоретически, в усилителе UcD, благодаря введению общей отрицательной обратной, появляется возможность реализовать более линейный режим его работы и получить меньшее (чем у усилителей с ГЛИН) значение уровней гармонических составляющих. К тому же ООС компенсирует активное сопротивление выходного дросселя, в результате чего коэффициент демпфирования получается очень высоким, что особенно важно при использовании усилителя с мощными сабвуферами.
Однако по информации из различных источников следует, что характеристики UcD усилителей весьма критичны, причём критичны ко ВСЕМУ! Это касается и параметров применяемых полупроводников, и частоты среза и добротности выходного LC-фильтра, и построению корректирующей цепи обратной связи. С учётом необходимости иметь частоту среза выходного фильтра в районе 30 кГц, весьма сложно даётся увод частоты осцилляции на необходимые и стабильные 300...400 кГц, при которых искажения имеют приемлемый уровень.
Именно поэтому данный тип усилителей и не нашёл широкого интереса массовых производителей электроники и ограничился не самой крупной компанией Hypex Electronics, выпускающей несколько серий модулей UcD усилителей, предназначенных в основном для активных сабвуферов.
А вот обитатели форумных пространств не унывают и не падают духом где попало! Поэтому для желающих приобщиться к UcD-строению могу порекомендовать окунуться в 14-летнюю дискуссию, начинающуюся на странице - ссылка на страницу.

Несколько по-другому обстоят дела с другим видом самоосциллирующих усилителей:

2. Усилители "PurePath™ HD" класса D с самовозбуждением, разработанные компанией Texas Instruments (Рис.4).

Структурная схема усилителя PurePath™ HDС
Рис.4 Структурная схема усилителя PurePath™ HDС

В отличие от UcD устройств, в усилителях PurePath™ HD сигнал обратной связи снимается до выходного фильтра нижних частот. В связи с этим фазовый сдвиг, необходимый для устойчивой осцилляции, определяется, прежде всего, номиналами элементов петлевого фильтра, что делает работу усилителя более устойчивой и предсказуемой.
О характеристиках таких усилителей можно судить по ИМС типа TAS5615 и TAS5616 (мощностью 150 Вт) и TAS5630 и TAS5631, представляющих собой стереофонические усилители с интегрированной цепью ОС и максимальной выходной мощностью 300 Вт на канал. Усилители обеспечивает коэффициент гармоник (Кг) 0.03% при выходной мощности 1 Вт на нагрузке 4 Ом. В мостовом включении TAS5630 и TAS5631 выдают 400 Вт максимальной мощности при 10% искажений.
Микросхемы выпускаются в 44 выводных или 64 выводных корпусах, стоят у наших китайских друзей 8...10$, но гораздо более предпочтительным я бы посчитал не покупку ИМС и самостоятельное её паяние (со всеми вытекающими последствиями), а приобретение готового модуля, который на том же Али стоит вполне адекватных денег (Рис.5 слева).

Структурная схема усилителя PurePath™ HDС TAS5630 зависимость  искажений от вых. мощности
Рис.5 Модуль 2x300 Вт TAS5630 и зависимость нелинейных искажений от вых. мощности

На диаграмме зависимости коэффициента гармоник от выходной мощности, взятой из Datasheet-а на TAS5630 (Рис.5 справа), видно, что картина с нелинейностью микросхемы не такая уж и радужная. Коэффициент гармоник 0.03%, приведённый в характеристиках для выходной мощности 1Вт начинает прилично расти как при понижении, так и при повышении мощности. На 10 ваттах он уже превышает 0,1%, а при мощностях свыше 100 ватт начинается лавинный рост, вплоть до 10%.

Если всё ж таки сильно хочется поэкспериментировать с PurePath осцилляцией, то я бы предложил популярную и недорогую микросхему компании International Rectifier - IRS2092, которая представляет собой основу звукового усилителя класса D.
В сочетании с внешними МОП-транзисторами IRS2092 образует полный усилитель класса D с защитой от перегрузки и сквозных токов выходных транзисторов.
Универсальная структура узла аналогового входа с усилителем ошибок и ШИМ-компаратором обладает гибкостью в реализации различных типов схем модуляции ШИМ, однако типовой областью применения ИМС являются усилители с автоколебательной технологией ШИМ PurePath.
TAS5630 зависимость  искажений от вых. мощности

Рис.6 Типовая схема включения IRS2092 с автоколебательной технологией ШИМ

Основные параметры усилителя D-класса на базе ИМС IRS2092:
Максимальное напряжение питания ±100 В;
Максимальный ток драйвера: ON - 1А, OFF - 1,2 А;
DEADTIME - 25/40/65/105 nS;
Время реакции защиты от перегрузки - 500 nS;
Постоянное напряжение на выходе - менее 20 мВ;
Максимальная частота ШИМ - 800 кГц;
Коэффициент усиления без ООС - более 60 дБ;
THD на нагрузке 4 Ω при вых мощности 50 Вт, 1 кГц - 0,01%;
Уровень шума - 200 мкВ.

Ценность данной микросхемы состоит в том, что при увеличении количества выходных транзисторов (в параллельном включении), появляется бонус в виде достижения в нагрузке значительных (вплоть до киловаттных) мощностей. Естественно, что в этом случае придётся поднапрячься и позаботиться об умощнении драйверных выходов.

Ознакомиться с подробным функциональным описанием микросхемы IRS2092 на русском языке можно по ссылке - IRS2092.

3. Усилители класса T, разработанные фирмой Power Acoustic в 2000 году.

Усилители класса Т были анонсированы, как альтернатива ключевым усилителям других классов.
Если в усилителях класса D используется ШИМ-модуляция с фиксированной частотой ГЛИН, то в усилителях класса T выходные транзисторы коммутируются с изменяющейся по псевдослучайному закону (Dithering of the Switching Frequency) частотой, значение которой, помимо прочего, зависит и от уровня входного сигнала.
Dithering (дизеринг) представляет собой подмешивание в первичный коммутирующий сигнал псевдослучайного шума со специально подобранным спектром, что размазывает шум квантования в широкой полосе частот, в результате чего - спектральная плотность гармоник информационного сигнала и комбинационных искажений значительно снижаются при сохранении высокого параметра КПД.
В связи со сложностью алгоритма - все эти манипуляции удобнее производить в цифровом виде при помощи специализированного сигнального процессора (Рис.6).

Структурная схема усилителя класса Т

Рис.7 Структурная схема стереофонического усилителя класса T

В 2000г. при финансовой поддержке компаний Cisco, Intel и Texas Instruments была создана фирма Tripath для разработок и производства полностью цифровых усилителей звука класса Т на базе собственной технологии DPP (Digital Power Processing).
На сегодняшний день можно отметить одного из флагманов линейки, выпускаемой компанией Cisco - ИМС TDA2500.
Микросхема представляет собой драйвер стереоусилителя класса Т, выполненный по технологии Digital Power Processing (DPP).
При подключении микросхемы к источнику напряжением ±90В и внешним полевым транзисторам в соответствии с Datasheet-ом, производитель гарантирует следующие характеристики каждого канала при 4-омной нагрузке:
TDN + N (искажения + шумы) = 0,02% при 50 W;
TDN + N (искажения + шумы) = 0,1% при 650 W;
TDN + N (искажения + шумы) = 1% при 800 W;
TDN + N (искажения + шумы) = 10% при 1100 W;
КПД при 500 W - 79% ...
Стоимость микросхемы TDA2500 у наших китайских друзей составляет немногим менее 1000$ за единицу продукции.

Однако не стоит хоронить класс D, всё дело в комплектующих - продекларировали гарны хлопцы из датской компании Lars Clausen Technologies и выдали на-гора свой класс усилителей под названием NewClassD.

4. Усилители класса NewClassD, выпускаемые компанией Lars Clausen Technologies с 2006 г.

На сегодняшний день компания Ларса Клаузена выпускает два модуля усилителей "Singularity 3" класса NewClassD мощностью 900 и 1200 Вт (при работе на 4-омную нагрузку).
Вот, что датчане пишут про основные отличия своих изделий от обычного D-класса и причины, по которым их можно считать "одними из лучших усилителей звука в мире":

1. Использование высокоскоростных SiCFET транзисторов на 600 В, которые работают примерно в 10 раз быстрее MOSFET-ов, обеспечивая лучшее разрешение в верхней части диапазона и меньший коммутационный шум;
2. Высокая частота дискретизации 850 кГц;
3. Качественные и сверхмалошумящие дискретные полупроводники от компании Rohm Semiconductor;
4. Тонкоплёночные прецизионные резисторы
5. Танталовые резисторы от Audio Note UK в цепи обратной связи;
6. Выходные фильтры из посеребрённого провода с тефлоновой изоляцией;
7. 6-слойная посеребрённая печатная плата с полной плоскостью GND;
8. Тщательная настройка каждого модуля для достижения идеальной производительности

Характеристики на 1200-ваттный агрегат приводятся следующие:
Максимальная выходная мощность на 4 Ом - 900 Вт RMS
Максимальная выходная мощность на 3,2 Ом - 1200 Вт RMS
Диапазон воспроизводимых частот по уровню -3 дБ (4 Ом) - 2...180000 Гц
THD + N при 1Вт (8 Ом) - 0,00033%
THD + N при 40Вт (8 Ом) - 0,01%
Динамический диапазон - 146 дБ
Цена - 1456,88$

NewClassD мощностью 900 и 1200 Вт
Рис.8 "Singularity 3" - 1200 Вт. Зависимость Кг от частоты при мощности 1Вт (8Ом)

Красивая картинка, но, как говорится - "Грустно, девицы!". Мы же с вами видим (судя по приведённым характеристикам), что уже при 40 ваттах искажения выросли в 30 раз! А что будет при 100, 200-ваттных и т. д. мощностях? А об этом шибко лукавый датский производитель предпочёл сильно не распространяться.
Хотя, чего греха таить, качественных комплектующих и тщательной настройки, как и большой и чистой любви - много не бывает!

ЛИТЕРАТУРА
1. Philips Semiconductors - User manual UM10155 Discrete Class D High Power Audio Amplifier
2. Lars Clausen Technologies IVS - NewClassD
3. V. Makarenko - The comparative analysis of characteristics of key amplifiers of sound signals




 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved