Простая схема импульсного усилителя мощности класса "D"

Карманный усилитель звука на цифровых КМОП микросхемах

Если немного поднапрячься и поскрести по сусекам сетевых знаний, то можно ненароком наткнуться на крайне простую схему импульсного усилителя мощности звуковых частот класса "D", выполненного на распространённой серии логических микросхем - CD40** (Рис.1).

Рис.1 Схема импульсного усилителя на CD4050

Устройство представляет собой усилитель класса D с самоосцилляцией и может возбудить интерес радиолюбителя, решившего ознакомиться с данным классом импульсных усилителей.

Вот, что пишут на сайте https://soundbass.org.ua/, приводя схему данного устройства:
«Это импульсный УНЧ мощностью всего 0,6W. Он представляет собой генератор прямоугольных импульсов частотой около 1 МГц. Скважность этих импульсов изменяется под действием входного сигнала.
В основе схемы микросхема CD4050 — шесть преобразователей уровня с высокой нагрузочной способностью выходов и двухтактный выходной каскад на двух полевых транзисторах. Выходная импульсная последовательность интегрируется LC-цепью и инертностью динамической головки. В результате динамик излучает сигнал звуковой частоты.
На выходе использованы разноструктурные полевые ключевые транзисторы BS250 и BS170. Сопротивление полностью открытого канала BS170 равно 7 Ом, а BS250 — 14 Ом.
Чтобы компенсировать перекос в выходном сигнале, в схему включён резистор R3, последовательно каналу транзистора VT2. Он уравнивает сопротивления открытых каналов, так чтобы они были одинаковы, то есть, по 14 Ом. Можно использовать другие полевые ключевые разноструктурные транзисторы. Если сопротивления их открытых каналов равны, то R3 не нужен.»

Казалось бы - всё правильно написано, однако транзистор с сопротивлением открытого канала, превышающим сопротивление нагрузки, сводит на нет главное преимущество импульсных усилителей - высокий показатель КПД.

Как выяснилось, автором данной конструкции является инженер журнала Elector - Тон Гисбертс, а перепечатку его статьи можно найти на страницах русскоязычного издания Электронные компоненты №11 2009. Припадём к первоисточнику и описанию автора:


Рис.2 Принципиальная схема усилителя

Схема усилителя не является полностью аналоговой, а основана на широтно-импульсной модуляции сигнала (ШИМ). Усилитель относится к классу D и имеет не очень высокое качество звука.
Главное преимущество схемы - малый размер и простота. За счёт использования ШИМ звуку придаётся оригинальный металлический оттенок.
Принципиальная схема и печатная плата усилителя показаны на рисунках 1 и 4. Важно упомянуть, что транзисторы Т1 и Т2 не должны переключаться одновременно, поскольку сопротивление канала очень мало. Сопротивление канала n-канального транзистора равно 0,25 Ом, а р-канального — 0,5 Ом.
На выходе усилителя стоит ФНЧ Баттерворта второго порядка, образованный катушкой L1 и конденсатором C5. Он отсекает частоты выше 40 кГц.
Печатная плата усилителя приведена на Рис.3.


Рис.3 Печатная плата усилителя


Комментарий Vpayaem.ru:
На самом деле, частота самоосцилляции в данном устройстве определяется частотными свойствами применяемой микросхемы и может достигать 2МГц и выше. Изменение номиналов элементов C4 и R3 к существенному изменению частоты не приводят. Поскольку ИМС трудится вблизи своих частотных пределов, то работа импульсного усилителя сопровождается как достаточно высоким коэффициентом гармоник (около 1% на 1кГц и 0,5Вт), так и весьма низким параметром КПД. По этой же причине, при снижении сопротивления нагрузки до 4 Ом, может произойти срыв колебаний.
К тому же коэффициент передачи по напряжению такого усилителя близок к единице, что приводит к необходимости иметь на входе каскад, обеспечивающий необходимое усиления.

Устраним перечисленные недостатки.

Рис.4 Схема откорректированного импульсного усилителя класса D

Основным изменениям подверглась цепь обратной связи. Теперь она состоит из цепи R2, C2, R3, C4, R6, которая обеспечивает необходимый фазовый сдвиг выходного сигнала для получения устойчивой самоосцилляции устройства на частоте 500...600 кГц.
Это дало возможность снижения сопротивления нагрузки до 4 Ом и существенного повышения КПД усилителя до стандартных значений 85...90%.
Ко всему прочему, коэффициент усиления входного сигнала повысился с единицы до ~15 раз (по напряжению).

В результате усилитель приобрёл следующие характеристики:
Максимальная мощность при напряжении питания 12 В и 4-омной нагрузке - 3,2 Вт (при Кг < 1%);
Коэффициент нелинейных искажений при мощности 1 Вт (4 Ом) < 0,5%;
Входное сопротивление - 3 кОм.

Выходной дроссель необходимо выбирать исходя из максимального протекающего через него тока ~ Uп/2/Rн.
В данном случае (при напряжениях питания до 15В) такое моточное изделие легко можно приобрести в готовом исполнении на ферритовых гантельках, либо намотать самостоятельно на кольце из смеси распылённого железа номер - 2 (красный цвет).
На низкочастотных ферритовых кольцах дроссель можно мотать только после пропила в нём необходимого воздушного зазора!