Ojačevalnik razreda D. Avdio ojačevalnik za avtomobile

Tehnologija ojačanja zvočnih signalov se razvija že 15-20 let. Ima precej prednosti pred tistim, ki se izvaja v razširjenih zvočnih ojačevalnikih razreda A ali AB. Imamo ojačevalnik razreda D. Njegova prednost je predvsem visoka učinkovitost.

Razredi za ojačevalnike avtomobilov

Avtomobilski avdio ojačevalnik, ki deluje v razredu A, je sestavljen iz tranzistorskih stopenj, ki se vklopijo (vodijo) tako med celotnim trajanjem vhodnega avdio signala kot v njegovi odsotnosti. Ima nizko stopnjo izkrivljanja ojačanega avdio izhodnega signala, saj njegovi tranzistorji delujejo na linearnih odsekih njihovih karakteristik in v celoti prevajajo vhodne signale v izhodno vezje, hkrati pa ima zelo nizko učinkovitost. Te naprave so običajno zasnovane za visokokakovostne avdio aplikacije, pri katerih težave z izgubo energije niso odločilne. Ojačevalni tranzistorji razreda B opravljajo samo negativne ali pozitivne pol valove vhodnega signala. Poleg tega prisotnost mrtvih območij blizu ničelne oznake vodi do visoke stopnje popačenja. Vendar pa ta učinek zagotavlja veliko boljše lastnosti kot pri napravah tipa A. Ojačevalnik razreda AB združuje značilnosti obeh prejšnjih z namenom, da se doseže boljša učinkovitost kot v razredu A, vendar manj popačenja kot pri vrsti B. Čeprav so te naprave primerne za naprave z nizko porabo, ali v najboljšem primeru povprečne moči, trend zadnjih let je sprostitev vse močnejših ojačevalnikov. Enkratnih 30 vatov je bilo dovolj dovolj za zadovoljitev večine potrošnikov. Zdaj je to komaj dovolj za ustvarjanje visokokakovostnega stereo avdio ojačevalnika za avtomobile. Zaradi tega so nastali njihovi novi razredi, vključno z razredom D, da bi se spoprijeli s to visoko porabo energije.

Kakšne so prednosti naprav D-razreda?

Njihova arhitektura je popolnoma drugačna od ojačevalnikov drugih razredov, ki so našteti zgoraj, in je podobna impulznim viri energije (UPS). Ojačevalnik razreda D temelji tudi na uporabi visokofrekvenčne pulzno-širinske modulacije (PWM ali PWM) za ustvarjanje izhodnega signala. Njeni tranzistorji so bodisi popolnoma vklopljeni (padec napetosti na njih je zelo majhen) bodisi popolnoma izklopljen (tok skozi njih je blizu ničle). V obeh primerih je moč električnih izgub (produkt padca toka in napetosti) zelo majhna in praviloma izgubijo veliko manj energije v obliki toplote. Tako je ta arhitektura dobro izvedena na osnovi zelo majhnih in stroškovno učinkovitih MOS tranzistorjev. Ojačevalnik D-razreda lahko doseže zelo visoko raven energetske učinkovitosti, kar vodi do znatnih prihrankov energije v viru energije. Vendar pa lahko pretvorba vhodnega avdio signala v PWM signal, skupaj s kvantizacijo, povzroči večjo distorzijo na izhodu kot pri ojačevalniku drugačne arhitekture. Namen ustvarjanja naprav tega razreda je bil zmanjšati izkrivljanje na nizkih ravneh ob ohranjanju visoke energetske učinkovitosti.

Primerjava učinkovitosti ojačevalnikov različnih razredov

Spodnja slika prikazuje tipično odvisnost učinkovitosti od izhodne moči za naprave razredov D in AB. Teoretična maksimalna učinkovitost v razredu D doseže 100%, v praksi pa je dosegljiva več kot 90%. Upoštevajte, da doseže 90% že pri zmerni izhodni moči, medtem ko je največji izkoristek v razredu AB pri 78% dosežen le pri polni moči. Pri praktičnem pridobivanju glasbenih signalov je učinkovitost manjša od 50%. Ojačevalnik zvoka razreda D z visokim izkoristkom porabi manj energije za dano izhodno moč, še pomembneje pa je, da se zahteve za hladilno telo močno zmanjšajo. Vsak, ki ima vgrajen ali viden močan avdio ojačevalnik, verjetno ve, da so za vzdrževanje relativno nizke temperature elektronike potrebni veliki aluminijasti radiatorji.

Naloži na močnostni transformator prav tako zmanjša za znatno količino, kar omogoča uporabo njegove manjše velikosti za enako moč. Ali lahko z lastnimi rokami izdelam ojačevalnik razreda D?

Spodnja slika prikazuje napravo s 400 vatom. Kvalificirani radio amater ne bo videl ničesar v tej zasnovi, ki bi ga prisilila, da opusti svoj rokopis.

Področje primarne rabe

Če se boste poglobili v podrobnosti te tehnologije, boste opazili, da bi dober (nizko izkrivljanje, celoten razpon) ojačevalnik moči D-razreda moral delovati na precej visokih frekvencah, v območju od 100 kHz do 1 MHz, z uporabo hitrih signalnih naprav in ustreznih virov energije. . To je sprva privedlo do uporabe tega razreda, kjer ni potrebna polna pasovna širina in je dovoljena višja stopnja popačenja, to je v globokotoncih in napravah za industrijsko uporabo.

Toda sčasoma se je vse spremenilo in zahvaljujoč današnjim hitrim tranzistorskim stikalom je mogoče razviti napredno povratno tehnologijo, naprave razreda D za vse vrste aplikacij, vključno z avdio ojačevalnikom v avtomobilu. Zanje je značilna visoka raven moči, majhnost in majhno popačenje, primerljivo z dobrim oblikovalskim razredom AB.

Ojačevalnik razreda D: strukturna shema

Izvaja se lahko v analogni ali digitalni obliki. Analogna različica je običajno sestavljena iz primerjalnika, trikotnega generatorja signalov in več blokov za pretvorbo vhodnega signala pred njegovo uporabo na izhodnih MOSFET tranzistorjih. Shema takšnega avdio ojačevalnika je prikazana na spodnji sliki. Avdio signal se najprej pretvori v pulzno širinsko modulirano (skrajšano PWM). Podobno kot signali v digitalnih vezjih, ki sprejemajo le dve ravni - logični 1 in 0, imata le dve ravni - visoko in nizko. Vendar je spremenljivka vhodnega avdio signala vsebovana v parametru, kot je trajanje impulza. Večji kot je vhodni signal, krajši je pulz. Seveda, taka zamenjava analognega signala, ki lahko sprejme neskončno število vrednosti v kateremkoli intervalu širine impulza signala PWM, samo ena vrednost tega trajanja povzroči izgubo informacij. Čim večja je frekvenca ponavljanja impulzov, tem natančneje se reproducira zvok. Kako ga natančno preoblikuje ojačevalnik razreda D? Vezje vsebuje izhodno stopnjo tranzistorji s efektom polja prikazano ločeno na spodnji sliki. Povečajo vhodne impulze, ne da bi pri tem skoraj izkrivili obliko. Ojačeni PWM signal, ki prehaja skozi izhodni nizkopasovni filter, se ponovno pretvori v analogno obliko, ki predstavlja ojačani vhodni signal.

Še enkrat o moči, ki jo razpršijo izhodni tranzistorji

Preprost avdio ojačevalnik (razred A ali AB) ima vsaj eno od izhodnih naprav (v obliki bipolarnega ali poljskega tranzistorja), ki kadarkoli vodi tok. Trenutni tok, ki teče skozi to prehaja skozi zbiralnik-emitter križišče (ali odtok-vir), kjer je nekaj napetosti padec U. Tudi če ni izhodni signal, mora majhen znesek toka skozi tranzistor. Ker vrednost P = U * I določa razpršeno moč, pride do določenega toplotnega sipanja. Ko se izhodna napetost poveča, se bo raven napolnjenosti na tranzistorju zmanjšala, vendar se bo tok povečal. Pri zasičenosti (cut-off) bo napetost med kolektorjem in oddajnikom (odtočni vir) nizka, vendar bo tok postal precej visok. Po drugi strani pa je pri nizki stopnji izhodne moči tok majhen, a velik padec napetosti. To vodi do krivulje izgube moči, ki je nelinearno odvisna od izhodne moči. Minimalna toplotna disipacija je minimalna (minimalna učinkovitost) in točka, kjer se doseže izkoristek približno 78% pri napravi čistega razreda AB in 25% ali manj v razredu A.

Po drugi strani pa preprost zvočni ojačevalnik razreda D temelji na preklopu izhodnega tranzistorja med dvema državama, in sicer na "Vklop" in "Izklop". Pred razpravljanjem o specifičnih podrobnostih vezij lahko rečemo, da določena količina toka teče skozi napravo v stanje »On«, medtem ko je teoretično pri prehodu odvodnega vira napetost, ki se napaja iz vira napajanja, praktično ne pade (ja, skoraj vsaka naprava) D uporablja MOS tranzistorje), zato je disipirana moč teoretično nič. V izklopljenem stanju je padec napetosti enak polni napajalni napetosti, tako da je tranzistor podoben odseku odprtega tokokroga, skozi katerega tok ne teče (kar je zelo blizu realnosti).

Kaj je PWM signal?

Izhodni tranzistorji ojačevalnika D-razreda lahko na izhodu ojačevalnika ustvarijo le dve napetostni stopnji, ki ustrezata dvema zgoraj omenjenima stanjima. V tem primeru sinusoid ne more biti predstavljen s temi dvema možnima nivojema. Pravzaprav avdio signal modulira trajanje izhodnih pravokotnih impulzov, ki trajajo od enega stanja tranzistorja do drugega, tako da so informacije o njem še vedno shranjene. Zdaj moramo razumeti, kako je ta modulacija opravljena in kako obnoviti ojačani zvočni signal iz impulza. Najpogostejša metoda, ki se uporablja v napravah razreda D, je PWM s kvadratnim valom. Čeprav je hitrost ponavljanja fiksna, je njihovo trajanje odvisno od vhodnega avdio signala. Torej, ko se vhodni signal poveča, se trajanje impulza poveča, in premori med njimi se zmanjšajo, in obratno.

PWM vezje za generiranje signalov

Ponavadi nastane s primerjavo vhodnega signala s trikotnim impulznim vlakom. Oba signala se napajata na vhod primerjalnika, kot je prikazano na spodnji sliki. Trikotni impulzi določajo amplitudo vhodnega avdio signala za popolno modulacijo in preklopno frekvenco izhodnih tranzistorjev. Digitalni primerjalni izhod uporablja standardne logične ravni, kjer 0 V ustreza logični ničli, 5 V pa logični enaki. Zaradi te kvazi-digitalizacije PWM signala se ojačevalniki, ki jo uporabljajo, včasih pomotoma imenujejo digitalni ojačevalniki. Dejansko je celoten proces bolj analogen kot digitalni. Najverjetneje je PWM signal mogoče pripisati diskretnim signalom, stopnja ponovitve njenih impulzov pa je frekvenca vzorčenja originalnega analognega signala.

Kako se generira PWM signal

Spodnja slika prikazuje, kako se avdio signal pretvori v obliko PWM z uporabo primerjalnika, ki primerja zvočni signal, ki ga sestavljajo sinusni harmonični valovi relativno nizke frekvence s trikotnim signalom veliko višje frekvence. Na izhodu primerjalnika se tvori visoka raven, če je trenutna napetost trikotnega vala nižja od tiste zvočnega signala ali nizka, če je višja. Logika te transformacije je lahko obratna. Nato nastane visoka raven, če trikotni signal preseže sinusni signal, in nizka raven - v nasprotnem primeru, kot je prikazano na spodnji sliki.

V vsakem primeru je izhod komparatorja sestavljen iz niza impulzov, katerih širina je odvisna od trenutne ravni vhodnega signala. Povprečna raven signala PWM ima enako obliko kot originalni zvočni signal.

Kako obnoviti avdio signal iz PWM signala

Za pridobitev natančne kopije vhodne analogne napetosti iz diskretnega PWM signala mora biti njegova frekvenca vzorčenja veliko večja od največje frekvence v njenem spektru. Po Nyquistovem izreku (ruska teorija telekomunikacij uporablja svoj analog, Kotelnikov teorem) mora biti ta presežek vsaj dvakrat, vendar pa visokokakovostni ojačevalniki z nizko stopnjo popačenja uporabljajo veliko razmerje (običajno od 5 do 50).

PWM signal, ojačan s stopnjo izhodnega tranzistorja, vsebuje nizkofrekvenčne komponente, ki v celoti reproducirajo spekter vhodnega avdio signala. Vsebuje pa tudi komponente s frekvenco vzorčenja (in njenimi harmoniki), ki jih je treba odstraniti, da bi obnovili prvotni modulirni zvočni signal. Za dosego tega cilja je potreben močan nizkopropustni filter. Običajno se uporablja pasivni LC filter, saj v njej skoraj ni izgub in ima malo ali skoraj nobene disperzije. Čeprav bi morale biti vedno nekaj izgub, so v praksi minimalne.

Digitalno izvajanje

Digitalni ojačevalnik razreda D je sestavljen iz enot za digitalno obdelavo in prenos podatkov, ki se izvajajo na mikrokrmilniku in enoti za generiranje signala PWM. Izvaja se lahko kot zunanja samostojna naprava za že dokončan avdio sistem. Vendar pa to vodi do dodatnih stroškov (morate kupiti in spajati čipov) in potencialnega povečanja stroškov razhroščevanja vmesnika med vhodnim virom avdio signala in ojačevalnikom.

Za ojačevalnik zvoka na mikrokrmilniškem čipu je značilno naslednje:

• frekvenca signala PWM (vzorčenje) mora biti vsaj 10-krat višja od največje frekvence vhodnega signala, tako da se lahko ustrezno rekonstruira na izhodu ojačevalnika;

• visoka ločljivost procesa krmiljenja širine impulzov PWM, da se prepreči popačenje kvantizacije izhodnega signala;

• prisotnost metode vzorčenja vhodnega analognega signala;

• visokohitrostno jedro za digitalno obdelavo in upravljanje podatkov;

• vmesnik za prenos signala PWM na zunanje MOSFET tranzistorje.

Primer naprave, ki izpolnjuje vse te zahteve, je 32-bitni mikrokrmilnik tipa SiM3U1xx z visoko hitrostjo perifernih naprav proizvodno podjetje Silicon Labs (Austin, Teksas, ZDA). Ti mikrokrmilniki so edinstveno primerni za netradicionalne aplikacije, kot so ojačevalniki moči razreda D, ki se neposredno povezujejo z zvočniki. Edina zunanja komponenta, ki je potrebna za avdio ojačevalnik na SiM3U1xx, sta dušilka in več kondenzatorjev. V / I naprave imajo tudi programabilno omejitev toka, vam omogočajo, da uporabljate do 16 stopenj glasnosti, ne da bi bilo treba strojno programsko opremo prilagoditi obsegu zvočnih podatkov, hkrati pa prihranite čas in pomnilnik. Ker se napajajo z ločeno napetostjo od preostale naprave, se lahko priključijo na zunanje MOS tranzistorje visoke moči.

Naprave SiM3U1xx vključujejo tudi USB avdio sprejemnik, ki je združljiv z avdio vmesnikom USB, vgrajenim 256 KB pomnilnikom flash, dva 12-bitna analogno-digitalna pretvornika, ki digitalizirajo pretakanje zvoka iz računalnika ali prenosnega predvajalnika glasbe. Blok-diagram naprave je prikazan na sliki. Lahko se uporablja tudi kot ojačevalnik v avtomobilu.